《汽车轻量化简报》第六期

北汽股份汽车研究院新技术研究部2013-6-26汽车轻量化简报第六期内部资料，请勿外传！汽车轻量化简报第六期各位领导、各位同事：《汽车轻量化简报》发布一年多来，得到了研究院领导和广大工程师的关心、指导和帮助，在此表示衷心感谢！为了更为充分的发挥我院轻量化专家的力量，向我院工程师提供更多的汽车轻量化实用案例，将《简报》办成工程师手边的汽车轻量化工具书和参考书，经过征求院领导和相关专家的意见，《简报》将从本期开始进行改版。改版后的《简报》将刊登更多的国内外典型轻量化设计案例、轻量化整车、系统，以及零部件的开发案例，同时向全院工程师征集我院的典型轻量化案例，在《简报》上进行推广。为此，经过向院领导请示，《简报》在全院范围成立编辑小组。编辑小组主要成员如下：组长：王旭书记副组长：林逸副院长；技术顾问：王炳永、解保新、陈伟刚、吴列、张乐意、金刚、贺燕铭、王可峰；责任编辑：新技术研究部王凤英、栗娜；编辑：车身部孙二雨、底盘及动力总成集成部张圆圆、整车集成及CAE部张立玲、内外饰部尹学霞、材料及紧固件部朱迎五。希望通过此次改版，《简报》能为您的工作提供更多参考，谢谢！《汽车轻量化简报》编辑小组汽车轻量化简报改版寄语汽车轻量化简报第六期目录一、国内外汽车轻量化最新动态…………………………1二、汽车轻量化技术专题轻量化技术实例分析--以塑代钢蓄电池托盘………12轻量化设计方法--结构轻量化优化设计……………16碳纤维材料在整车上的应用…………………………19三、结束语…………………………………………………44汽车轻量化简报第六期PMI泡沫夹层结构碳纤维复合材料•车型-三菱Lancer•后扰流板，与原来的ABS扰流板相比，重量减轻2kg，下压力提高1.7倍•车型-莲花跑车Exige•前/后盖板、车门、门槛等车身部件非金属材料一、国内外汽车轻量化最新动态1汽车轻量化简报第六期非金属材料•车型-长安汽车某款汽车•三角窗，减重30%以上，造型自由，可以集成PC无机玻璃2•车型-上汽荣威E50•发动机盖，重量从9kg减至3kgPMI泡沫夹层结构碳纤维复合材料汽车轻量化简报第六期宝克力(PMMA)汽车塑料玻璃•车型-英国莲花艾丽斯•PMMA侧窗玻璃，减重40%•车型-长安Mini奔奔•PMMA后侧窗玻璃，减重40%非金属材料3汽车轻量化简报第六期4聚丙烯/黏土纳米复合材料（填料6%）•车型-一汽集团某款汽车•门护板，替代现生产用材料（填料25%），减重19.7%，降低成本3%。•车型-上汽某款纯电动车•横梁及PDU托盘GMT非金属材料•电池托盘汽车轻量化简报第六期双相钢马钢以5.6mm的热轧马氏体双相钢MH600DP替代进口5.7mm的DP600制造轮辐，以3.8mm的热轧贝氏体双相钢MH540FB替代4.0mm厚度的380CL制造轮辋，从而实现汽车车轮的轻量化，同时降低生产成本。双相钢车轮金属材料5车型软钢普通高强钢先进高强钢图片CHB02*38.59%36.7%24.71%CHB02*CHB03*CHK01*31.33%48.44%20.23%CHB01*41.88%28.01%30.10%CH07*37.00%30.21%29.51%长城汽车高强钢应用比例汽车轻量化简报第六期金属材料6•车型-上汽某款纯电动汽车•热成形超高强钢7%,超高强度双相钢22%,普通高强钢34%,软钢33%•铝合金2%•非金属材料2%铝合金•铸造减震塔路虎新揽胜奔驰新SL凯迪拉克汽车轻量化简报第六期路虎新揽胜奔驰新SL奥迪A3金属材料铝合金发动机罩盖7汽车轻量化简报第六期北京首钢MA金属有限责任公司引进MA公司整套高强辊压生产线，可生产内部加强结构件、纵梁、门槛、门玻璃升降槽、B柱盖板、滑轨等等截面和变截面的辊压零部件。•车型-阿尔法罗密欧•门玻璃升降槽，使用0.9mm厚的FEE275钢•车型-菲亚特Croma•B柱，使用0.9mm厚的DC04钢先进成形工艺辊压成形8汽车轻量化简报第六期辊压成形•车型-长安汽车某款汽车•门槛加强件，HC950/1180MS替代B410LA钢，减重2.04kg,整车减重4.08kg，减重30%•成形速度快，材料利用率高达93%先进成形工艺弯管工艺•车型-上汽某款纯电动汽车•弯管工艺来代替传统的钣金件，带来了近4kg的减重9汽车轻量化简报第六期热成形•车型-上汽某款纯电动汽车•A柱下外板采用了热成形支撑纵梁载荷•B柱采用了热成形，实现轻薄减重先进成形工艺10•车型-吉利汽车某款汽车•热成形前防撞梁，减重25%以上•将热成形技术应用在碰撞关键部位，减少碰撞时侵入量，增强碰撞安全性•简化设计，减少零部件数，提高装配精度和生产效率汽车轻量化简报第六期11热成形前防撞梁B柱加强件中通道先进成形工艺宝钢开发的典型热冲压零部件汽车轻量化简报第六期乘用车蓄电池托盘使用环境一般位于汽车前舱内，通过支架固定在前纵梁上。以下是轻量化工作遇到的实际技术要求：蓄电池托盘承载重达16kg的蓄电池，在运行过程中要承受经常的抖动和颠簸振动，以及承受加速、减速或转向等的侧面受力。它的工作环境最高温度约为120℃，最低温度条件国内一般设置-40℃，工作环境恶劣。汽车蓄电池托盘容易接触到水或机油等介质，需要防腐的实际要求。根据轻量化蓄电池托盘选材的综合性能、热性能要求及环境要求，材料初步选定玻纤增强塑料材料，这类复合材料的性能均能满足上述条件，另外由于增强纤维在塑料基体的作用，零部件的耐疲劳性和耐冲击性能均会提高，初步估计经过优化设计后轻量化蓄电池托盘可满足技术要求。部件性能要求二、汽车轻量化技术专题--轻量化技术实例分析轻量化选材12以塑代钢蓄电池托盘汽车轻量化简报第六期轻量化选材-基材选材判定项PP-LGF40PA66-GF30PBT-GF30模具收缩率0.3%-0.4%0.3%-0.4%0.4%-0.6%烘干处理无需干燥90℃×4h120℃×3h熔融温度215℃-225℃270℃-290℃260℃模具温度65℃-75℃80℃-90℃80℃综合上表可以判定，PP-LGF40对比其他两种塑料有以下优势：PP-LGF40材料的模具收缩率较小，基本不需要修改模具就可直接进行材料试模验证，对零部件的尺寸影响较小。PP-LGF40的熔融温度比PA66-GF30材料的低60℃左右，而且注塑前无不需要烘干处理，因此可以简化工艺流程、降低工艺能耗，提高成型速度。符合节能减排的趋势，节省成型费用。PP-LGF40在原材料价格方面，对比其他两种塑料有较大的优势与钢板材料成型工艺相比，PP-LGF40采用注塑一体成型，可以集成部分支架及安装嵌件；不需要多步成型及表面处理防腐。提高生产效率，减低减低生产成本。PP-LGF40材料粒子初步选定三种塑料基体材料为备选方案，该类材料机械、热老化综合性能均比较高，完全满足蓄电池托盘技术要求。以塑代钢蓄电池托盘13汽车轻量化简报第六期轻量化蓄电池托盘设计方案，属于典型的以塑代钢轻量化技术路线。在设计中应注意以下设计要点：•为了弥补两种方案的蓄电池托盘的刚性差异，尽量达到等刚性设计要求，塑料方案中需要重点从壁厚和加强结构上提高产品刚性。•如塑料件壁厚一般设置为3.5mm左右，同时设置较高的加强筋来提高刚性。局部要注意结构的设计，避免出现应力集中的地方。•必要时还需要CAE进行强度分析，来进行局部优化，并注意结构的收缩补偿。•钢制托盘原始方案轻量化结构设计路线•轻量化方案数模•CAE分析•轻量化托盘样件以塑代钢蓄电池托盘14汽车轻量化简报第六期实验验证零件验证包括：基本的尺寸、外观检测；按照产品技术要求进行强度、耐热、冷热交变、耐振动等性能验证；台架试验后进行整车搭载路试，以检验可靠性。序号试验项目试验项目1台架试验外观检查；高、低温试验；高低温湿热交变循环试验；振动试验2道路试验30000km道路耐久试验•达到了零部件的技术要求；•钢制件重1.1kg，塑料件重0.496kg，实现减重55%；•量产的情况下，复合材料托盘方案成本对比原始方案成本差异不大。整车上的托盘装配照片以塑代钢蓄电池托盘15技术方案总结汽车轻量化简报第六期修改该纵梁结构两横梁结构尺寸调整梁尺寸结构变化加强筋的布局调整拓扑优化，在给定的设计空间内找到最优的材料分布。示例：顶盖拓扑优化汽车轻量化技术专题--轻量化设计方法16根据设计变量类型的不同，结构轻量化优化设计划分为3个层次：拓扑优化，尺寸优化和形状优化。结构轻量化优化设计汽车轻量化简报第六期局部模态发生区域选定为设计区域考虑结构对称性对设计区域加筋优化区域加筋形状优化，直接基于有限元网格，优化产品的位置和几何形状。示例：地板总成形状优化。结构轻量化设计17汽车轻量化简报第六期尺寸优化后结构拓扑优化后结构形状优化后结构最终优化后结构18尺寸优化，尺寸和参数优化，一般作为拓扑和形状优化的辅助方法。示例：驾驶室框架式结构尺寸优化。结构轻量化设计汽车轻量化简报第六期汽车轻量化技术专题--碳纤维材料在整车上的应用碳纤维聚丙烯腈基(PAN)碳纤维沥青基碳纤维粘胶基(纤维素)碳纤维碳纤维简介种类抗拉强度（MPa）拉伸模量（GPa）密度（g·cm-3）断后延伸率（%）PAN基碳纤维＞3500＞2301.76～1.940.6～1.2沥青基碳纤维16003791.71.0粘胶基碳纤维2100～2800414～5522.00.7三种原料碳纤维的主要性能由聚丙烯腈纤维原丝可制得高性能的碳纤维，其生产工艺较其它方法简单，而且产品的力学性能优良，用途广泛，因而成为当今碳纤维工业生产的主流，占市场份额75%以上。国际上PAN基碳纤维的生产，从20世纪60年代起步，经过70～80年代的稳定，90年代的飞速发展，到21世纪初其生产工艺技术已经成熟。19汽车轻量化简报第六期全球碳纤维发展情况世界碳纤维的生产主要集中在日本、英国、美国等少数发达国家。以聚丙烯腈为原料的碳纤维技术主要集中在日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝，美国的卓尔泰克、阿克苏、阿尔迪拉等手中。以粘胶丝及沥青为原料的技术，主要由美国联合碳化物公司掌握。国际上，碳纤维最大生产商东丽、东邦人造丝、三菱人造丝的产量合计占全球产量的一半以上。碳纤维厂家的地理分布20汽车轻量化简报第六期24生产厂家设计产能（吨）2009年2010年2011年2012年2013年小丝束（≤24K）东丽集团1760017600176001890020800东邦人造丝公司1350013500135001350013500三菱人造丝公司74007400740074007400台塑集团61507450875087508750赫氏公司47504750550070007000氰特工程材料公司20003000300040004000土耳其Aksa公司7501500350035003500印度Kemrock公司0040010002000大丝束（＞24K）卓尔泰克集团1300013000130001300013000德国SGL集团60006000600075009000三菱人造丝公司700700270027002700东丽集团300300300300300世界主要生产厂家产能情况（聚丙烯腈基碳纤维）碳纤维，分1K、3K、6K、12K、24K等。1K代表一束碳纤维纱含1000根碳纤维丝。K数越大，碳纤维单丝束直径越大。21汽车轻量化简报第六期国内碳纤维发展情况我国碳纤维企业虽有一定发展，但也存在一些问题，如产品品种、规格少，结构单调，碳纤维产品的稳定性有待进一步提高，产业化建设缺乏技术的原创性。2000年以来，我国碳纤维的需求量呈持续上升趋势，2010年中国大陆碳纤维需求量已达9500t，预计到到2020年消费量将超过2万t。随着应用领域的不断拓展，碳纤维需求量将逐年提高，市场提出了碳纤维产业规模化发展的新要求。根据《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》以及《新材料产业“十二五”发展规划》的部署和要求，为构建技术先进、结构优化、清洁安全和上下游融合发展的碳纤维产业体系，实现碳纤维行业