田少凱，任曉輝，盧曉薇，劉浩

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071100）

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某車型鋼板用材逆向分析

田少凱，任曉輝，盧曉薇，劉浩

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071100）

摘 要：解析某日本品牌皮卡車身、車架鋼板材質(zhì)，分析其安全結(jié)構(gòu)件用材、主要零部件材質(zhì)及各種強(qiáng)度鋼板應(yīng)用比例；簡(jiǎn)述車型開發(fā)鋼板用材規(guī)劃。

關(guān)鍵詞：鋼板；逆向分析；車型開發(fā)；用材規(guī)劃

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.015

CLC NO.: U465.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-46-03

前言

中國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)自主品牌在車輛安全性能、整車輕量化性能及抗腐蝕性能與國(guó)外品牌、合資品牌仍存在較大差距；通過(guò)提升車輛鋼板用材選用水平是縮小上述差距的重要手段。目前，各汽車生產(chǎn)廠商通常采用逆向設(shè)計(jì)與正向設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法進(jìn)行車身、車架設(shè)計(jì)，逆向設(shè)計(jì)即對(duì)標(biāo)桿車進(jìn)行分析，標(biāo)桿車型的分析一般包括車型的結(jié)構(gòu)、工藝、用材的特點(diǎn)，取其優(yōu)點(diǎn)去其不足，為新車型的開發(fā)提供技術(shù)支持[1]。本文通過(guò)逆向分析，解析某日本品牌皮卡車型（下文統(tǒng)稱為某車型）車身、車架鋼板材質(zhì)，根據(jù)其用材特點(diǎn)制定車型開發(fā)鋼板用材規(guī)劃，為車型開發(fā)選材提供依據(jù)，提升整車性能。

1、分析思路

標(biāo)桿車逆向分析工作通常在整車開發(fā)概念階段進(jìn)行，首先對(duì)標(biāo)桿車進(jìn)行整車性能動(dòng)態(tài)測(cè)試，其次對(duì)重點(diǎn)零部件進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)根據(jù)開發(fā)需要進(jìn)行搭載試驗(yàn)等。標(biāo)桿車整車及零部件性能測(cè)試完畢后對(duì)車輛進(jìn)行拆解分析。本文重點(diǎn)講述車身、車架的鋼板材質(zhì)逆向分析。

首先對(duì)標(biāo)桿車進(jìn)行拆解、取樣，拆解過(guò)程應(yīng)盡可能將車身、車架分解至最小零部件單元，對(duì)拆解零部件進(jìn)行牌照、編號(hào)及記錄，以便于后期取樣測(cè)試；針對(duì)左、右對(duì)稱零部件取一側(cè)進(jìn)行分析即可。為保證分析結(jié)果準(zhǔn)確，通常需對(duì)樣品厚度、化學(xué)成分、硬度、拉伸性能及鍍層種類進(jìn)行測(cè)量、分析，厚度測(cè)量結(jié)果用于輔助確定零部件厚度。由于國(guó)內(nèi)外鋼板標(biāo)準(zhǔn)存在差異，需要將分析結(jié)果對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)及鋼板應(yīng)用情況進(jìn)行對(duì)照，確定“標(biāo)桿車鋼板用材清單”。標(biāo)桿車用材清單在車型開發(fā)過(guò)程中不斷優(yōu)化，在完成零部件數(shù)模工藝數(shù)據(jù)后經(jīng)工藝、設(shè)計(jì)分化部門對(duì)整車及零部件性能進(jìn)行CAE、SE、網(wǎng)格應(yīng)變等分析，根據(jù)工藝數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化鋼板選材清單，形成第一版“車型開發(fā)鋼板選材清單”，后期隨零部件數(shù)模完善及凍結(jié)過(guò)程對(duì)選材清單進(jìn)行不斷完善，最終確定“車型開發(fā)鋼板用材清單”。

1.1 逆向分析

1.1.1 厚度測(cè)量及取樣

1）厚度測(cè)量

測(cè)量工具：超聲波測(cè)厚儀（未拆解零部件）、游標(biāo)卡尺；

測(cè)量方法：測(cè)量三次取平均值。

2）取樣尺寸及數(shù)量：拉伸試驗(yàn)150mm*50mm*3，成分分析40mm*40mm*1，硬度測(cè)試40mm*40mm*1，拉伸試驗(yàn)取樣數(shù)量可根據(jù)零件大小適當(dāng)增加或減少；

3）取樣工具：角磨機(jī)、馬刀鋸等；

4）拉伸試驗(yàn)取樣注意事項(xiàng)：取樣位置盡可能平整、遠(yuǎn)離制件邊緣。

1.1.2 試驗(yàn)分析

1）成分分析

普通鋼板成分檢測(cè)結(jié)果共分為兩大類，對(duì)應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)中化學(xué)成分，結(jié)合硬度、拉伸試驗(yàn)結(jié)果確定材料牌號(hào)，具體如下：

a）C、Si、Mn及其它合金元素含量都比較低，初步判斷為普通碳素鋼，即DC01、DC03系列， C＜0.008判斷為IF鋼。

b）當(dāng)Si＜1.0，Mn＞1.0其它合金元素較低判定為DP鋼。

1.1.3 成分分析，測(cè)試208個(gè)樣件，初步確定共有31個(gè)DP鋼，占總數(shù)的14.9%

2）硬度分析

所測(cè)量硬度值根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》換算成抗拉強(qiáng)度，結(jié)合成分分析結(jié)果確認(rèn)零部件材質(zhì)牌號(hào)；因?yàn)椴牧袭a(chǎn)生加工硬化的原因由硬度值換算出的抗拉強(qiáng)度值可能比實(shí)測(cè)值偏高。

1.1.4 硬度試驗(yàn)分析結(jié)果見表1

表1　車身、車架硬度分析結(jié)果

3）拉伸分析

根據(jù)拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，對(duì)應(yīng)相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)，確定材料牌號(hào)；由于零件加工過(guò)程中發(fā)生變形，所取試樣測(cè)試的屈服強(qiáng)度結(jié)果較實(shí)際結(jié)果偏高。

1.1.5 拉伸試驗(yàn)分析結(jié)果見表2

4）鍍層分析

通過(guò)進(jìn)行掃描電鏡X射線能譜定量分析確定制件是否為鍍鋅板，通過(guò)掃描電鏡觀察零部件截面狀態(tài)確定鋅層厚度。

鍍層分析，測(cè)試208個(gè)樣件，鍍鋅板比例為89.4%，鍍鋅類型為熱鍍鋅鐵合金，鋅層厚度在（7-10）μm之間，鋅層重量大約為（50-70）g/m2。

2、標(biāo)桿車用材分析

在汽車鋼板為主導(dǎo)材料的車型中，使用的汽車板主要分為軟鋼（Mild Steel）、高強(qiáng)鋼（HSS：HSIF、BH和HSLA）、先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS：DP、TRIP）、超高強(qiáng)鋼（UHSS：CP、MS）、熱成形用鋼（PHS）和不銹鋼[2]；汽車用鋼板部件大致分為面板部件、結(jié)構(gòu)部件、行走部件及增強(qiáng)部件，這些部件對(duì)應(yīng)不同的用途要求，具有不同的性能。[3]汽車行業(yè)通常依據(jù)鋼板種類、強(qiáng)度比例及應(yīng)用部位對(duì)車型用材進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 安全結(jié)構(gòu)件用材分析

車身及車架安全區(qū)域按照碰撞過(guò)程中變形情況分為前潰縮區(qū)、安全區(qū)、后潰縮區(qū)，車輛發(fā)生側(cè)碰是各區(qū)域受力傳遞，如圖1所示。

1）前潰縮區(qū)：為了減少碰撞過(guò)程中能量向乘員艙的傳遞，前潰縮區(qū)防撞梁等零部件采用了強(qiáng)度較高、吸能效果好的普通高強(qiáng)鋼340LA、SAPH440等牌號(hào)鋼種；車架縱梁前段內(nèi)外板等安全結(jié)構(gòu)件選用了強(qiáng)度很高的熱軋大梁鋼板，如610L等牌號(hào)鋼種，在保證吸能效果的同時(shí)，也達(dá)到了提高剛度的目的。

2）安全區(qū)：為了保證駕駛員及乘客的人身安全，此區(qū)域要求在碰撞過(guò)程中變形達(dá)到最小，因此對(duì)車體剛度要求很高。對(duì)于非承載式車身，車架為主要的受力和傳遞載荷部件，此區(qū)域選用了強(qiáng)度很高的熱軋大梁鋼板，如：610L等牌號(hào)鋼種；同時(shí)，B柱加強(qiáng)板、下邊梁等受力部件也采用強(qiáng)度較高的雙相鋼，保證了車體剛度。

3）后潰縮區(qū)：此區(qū)域主要為車架后縱梁等安全結(jié)構(gòu)件，其用材情況與前潰縮區(qū)基本相同，如車架縱梁后段內(nèi)外板、第六橫梁等部位都選用了較高強(qiáng)度的熱軋結(jié)構(gòu)鋼，既保證了吸能效果，同時(shí)保證了車架整體剛度的平衡。

2.2 分析結(jié)論

1）本次共測(cè)試222個(gè)零部件，其中車身154個(gè)，車架68個(gè)，各種材質(zhì)鋼種所占零部件比例如圖2，車身高強(qiáng)鋼（加磷鋼、低合金高強(qiáng)鋼、雙相鋼、馬氏體鋼）應(yīng)用比例33.1% ，車架抗拉強(qiáng)度在400MPa以上（低合金高強(qiáng)鋼、雙相鋼、結(jié)構(gòu)用熱軋鋼板）的鋼種應(yīng)用比例92.7%。

圖2　車身、車架零部件用材比例

表3　車型開發(fā)鋼板用材規(guī)劃

2）車身車門加強(qiáng)板、C柱上加強(qiáng)板、部分地板橫縱梁及其加強(qiáng)板等采用了強(qiáng)度較高加磷鋼及低合金高強(qiáng)鋼，兩者比例分別為7.8%和4.5%；車架前防撞梁內(nèi)板等采用低合金高強(qiáng)鋼，比例為1.5%。

3）車身頂蓋橫梁、部分地板橫縱梁、B柱加強(qiáng)板、前門車門防撞梁等安全結(jié)構(gòu)件應(yīng)用強(qiáng)度很高的雙相鋼，比例達(dá)到19.5%；車架縱梁前段內(nèi)板左加強(qiáng)板等也采用強(qiáng)度很高的雙相鋼，比例達(dá)到1.5%。

4）車身左后門防撞梁等零部件采用了強(qiáng)度極高的馬氏體鋼，提高了安全性能，其馬氏體鋼應(yīng)用比例為1.3%。

5）大量采用鍍鋅鋼板，鍍鋅板所占零部件比例在89%左右，提高了車身抗腐蝕能力。

3、車型開發(fā)鋼板用材規(guī)劃

為保證車輛安全性能，汽車板選材遵循以下原則，一是在駕駛員艙（如圖1中安全區(qū)）選擇強(qiáng)度相對(duì)較高的汽車板，選用600MPa、800MPa或更高的高強(qiáng)度鋼板，以便支持剛性駕駛艙的安全結(jié)構(gòu)；二是在車型前部和后部（如圖1中前、后潰縮區(qū)）適當(dāng)選用相對(duì)駕駛員艙強(qiáng)度較低材料，以便在正碰和后碰過(guò)程中發(fā)生變形產(chǎn)生吸能作用，減少對(duì)駕乘人員的傷害。

3.1 用材規(guī)劃

1）鋼板強(qiáng)度規(guī)劃

參考標(biāo)桿車用材信息，考慮安全、輕量化、成本、平臺(tái)化等因素規(guī)劃不同級(jí)別鋼板應(yīng)用部位及比例，車型開發(fā)用材規(guī)劃見表3。

2）鍍鋅板規(guī)劃

車門、車箱蓋板、頂蓋、底板等使用鍍鋅板, 規(guī)劃應(yīng)用比例65%，提升整車耐腐蝕能力。

4、結(jié)語(yǔ)

標(biāo)桿車逆向分析是一種簡(jiǎn)單有效的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)測(cè)量、桿分析得出標(biāo)車車身、車架主要零部件用材料信息，用于指導(dǎo)零部件選材，保證車輛安全性、提升耐腐蝕能力，進(jìn)而提升整車性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 張建,等.從汽車車身進(jìn)步看汽車板及深加工技術(shù)的發(fā)展[C].2014年全國(guó)鋼材深加工研討會(huì)論文集,2014.129-134.

[2] 李紅,等.基于逆向分析的變速器上安裝橫梁零件材料選擇[J].汽車工藝與材料，2013，(2)：56-58.

[3] 辛欣.國(guó)內(nèi)汽車用剛強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用[J].汽車工程師,2011,(10)：58-60.

[4] GB/T 1172—1999黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值[ S].

A car plate material reverse analysis

Tian Shaokai, Ren Xiaohui, Lu Xiaowei, Liu Hao ( Great Wall motor Co., Ltd., automotive engineering technology research center in Hebei province, Hebei Baoding 071100 )

Abstract:Parsing a Japanese brand truck body, frame, steel material, analyzes its security structure material, main components and various strength steel sheet application proportion; Description model development plate material planning.

Keywords:Steel plate; Reverse analysis; Model development; Material planning

作者簡(jiǎn)介：田少凱，大專、助理工程師，就職于長(zhǎng)城汽車股份有限公司。

中圖分類號(hào)：U465.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-46-03