張海華

摘要：目前汽車市場競爭激烈，產(chǎn)銷量較大，控制產(chǎn)品的單位成本是提升產(chǎn)品競爭力的有效手段。本文從設(shè)計前期成本規(guī)劃和設(shè)計階段的技術(shù)手段兩個階段，通過兩個工具的和兩個具體案例的介紹，論述了如何從設(shè)計層面降低車身產(chǎn)品的總體成本，提供了在開發(fā)中控制車身產(chǎn)品成本的思路和方法。

Abstract： Due to the keen competition and large volume of the vehicle market， the cost management of production is an effective method of enterprise competitive ability improvement. This paper expounds how to control the vehicle body cost from advanced design phase and shows the conception and method of vehicle body cost control by two tools and two cases instruction in project cost scheme stage and production development stage.

關(guān)鍵詞：低成本；材料利用率；車身；前期規(guī)劃

Key words： low cost；material utilization；body；advanced layout

中圖分類號：U464.13 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）30-0005-03

1 概述

目前汽車市場競爭激烈，各汽車公司為了搶占市場，在大打價格戰(zhàn)的同時，也擔負著巨大的盈利壓力。在市場降價及原材料上漲等雙重壓力之下，如何控制企業(yè)成本，開發(fā)出性價比高、性能優(yōu)良的產(chǎn)品及相關(guān)服務(wù)變得尤為重要，成為能否在激烈的市場競爭中生存下去的關(guān)鍵因素。由于汽車產(chǎn)銷量較大，若想有效提升企業(yè)盈利能力，相對有效的辦法就是控制產(chǎn)品的單位成本，減少產(chǎn)品設(shè)計中不必要的浪費。車身成本能占到整車成本的10%，因此降低車身成本對控制整車成本來說意義重大。而在降成本的各種措施中，開發(fā)階段的降本無疑是最有效率的[1]。因此本文主要通過設(shè)計前期成本規(guī)劃和設(shè)計階段技術(shù)手段兩方面闡述，提供了控制車身開發(fā)成本的思路和方法，為車身產(chǎn)品的成本控制提供借鑒。

2 前期成本規(guī)劃

對于市面上主流的高產(chǎn)銷量，定位中低端的車型來說，主要以傳統(tǒng)鋼材為車身構(gòu)成材料，在這種情況下，其成本往往和重量成近似正比關(guān)系，即可以以重量控制替代成本控制。通過開發(fā)前期設(shè)立合理的重量目標，可以有效地反映成本目標或與其互相印證，控制和指導后續(xù)設(shè)計的方向。

但在開發(fā)前期，具體設(shè)計并沒有成熟，因此只有基于歷史車型的數(shù)據(jù)或者其他廠家的產(chǎn)品建立可靠的重量測算模型，以進行車身重量的預估。

為了建立該模型，主要考慮對車身重量產(chǎn)生影響有以下幾個方面：車型尺寸（軸距W輪距T），動力總成重量P，安全需求S，高強鋼占比R這幾方面。其中W和T除了在幾何方面對車身重量的直接影響外，較大的車定位較高，往往對整車扭轉(zhuǎn)剛度的要求也比小型車要高。但較大的幾何尺寸本身不利于整車扭轉(zhuǎn)剛度的提升。因此為了實現(xiàn)性能要求，會需要更厚鋼板或更多的結(jié)構(gòu)，從而進一步推高車身重量。P和S則是通過被動安全性能對車身重量產(chǎn)生影響。更大的動力總成組合以及更高的安全性能要求意味著在碰撞過程中車身結(jié)構(gòu)需要吸收更多的動能，即更厚更高等級的材料或者更強的載荷路徑。高強鋼占比R越大則意味著車身可以做到更輕，但是高強鋼導致產(chǎn)品單價提升。尤其是熱成型鋼材，影響更為明顯。

因此通過對數(shù)據(jù)庫中的已有車型的相關(guān)數(shù)據(jù)進行整理和擬合，可以獲得一個重量相關(guān)于上述四個因素的數(shù)學模型經(jīng)驗公式M=f（W，T，P，S）（1）。其中M為估測的目標車身重量。實際工作中，運用該公式對若干已有車型進行反算后得到的結(jié)果如表1所示。

需要注意的是由于基于歷史數(shù)據(jù)進行歸納，因此式（1）尚無嚴謹?shù)恼撟C方法，并且隨著技術(shù)的進步和產(chǎn)品的不斷推陳出新，公式中用到的常數(shù)也處于一個動態(tài)更新的狀態(tài)。如果將表1中的歷史車型的實際重量做為縱坐標，公式預估重量做為橫坐標，我們就可以把所有車型以散點圖形式表達出來，如圖1所示。圖中深色虛線為過原點的直線，意味著落在上面的點實際值和預估值一致。淺色虛線則是所有這些車型的擬合直線。理想狀態(tài)下，這兩條線應(yīng)該重合。將來隨著車型數(shù)據(jù)的增多，擬合線會發(fā)生變化。當兩條線的夾角超過一定程度后，就需要對經(jīng)驗公式進行修正。

式（1）及其計算得到的估測重量的意義在于，可以為后續(xù)開發(fā)過程中獲得的實際重量數(shù)據(jù)進行比較，并且作為探測當前重量的設(shè)計狀態(tài)是否存在冗余或者是否達到足夠精益，即如果當前設(shè)計狀態(tài)小于公式預估值，說明當前結(jié)構(gòu)效率較高，反之，則說明可能存在冗余。

這里需要指出的是，即便對于含有有色金屬或者高分子材料的混合車身的開發(fā)，也可以使用這個預測公式計算假設(shè)鋼材車身的對比基礎(chǔ)值。

在前期開發(fā)階段，還有一個基于巴雷特（Pareto）分配律法[2]發(fā)展而來的料厚百分比曲線分析方法，可以配合重量預估經(jīng)驗公式一起對后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)進行重量控制。由于車身用的鋼材板金件本身并不存在復雜的黑盒機械結(jié)構(gòu)，性質(zhì)相對其他汽車零件較為單一，因此很適合用料厚百分比曲線方法進行狀態(tài)監(jiān)控。類似于重量經(jīng)驗共識，我們同樣從數(shù)據(jù)庫中獲取已有參考車型數(shù)據(jù)，然后繪出這些車型的料厚分析曲線，推斷出目標開發(fā)車型有競爭力的料厚狀態(tài)，并以此指導設(shè)計。料厚曲線法具體步驟如下：

①統(tǒng)計出某一車型所有料厚種類，并從小到大排序；②將每一個料厚種類的零件重量相加；③計算出每一種料厚及其以下料厚的總重在整個車身板金件重量中所占的百分比；④以料厚為x軸，以第3步計算出的累加重量百分比為Y軸，繪出曲線；⑤在縱坐標某一位置劃一條水平線，該線和曲線的交即為該車型的“料厚狀態(tài)”；⑥重復以上步驟完成所有參考車型曲線的繪制，如圖2所示。

依據(jù)圖中數(shù)據(jù)，可以制定出當前型有競爭力的料厚狀態(tài)策略，例如在1.1mm及以下。在未來的開發(fā)過程中定期對車身的設(shè)計狀態(tài)進行復核，如果料厚狀態(tài)超過了給定數(shù)值，意味著結(jié)構(gòu)效率不高，存在改進必要。

3 設(shè)計階段的重量控制

前期的預估和規(guī)劃相當于給產(chǎn)品設(shè)計設(shè)定一個目標。由于本文所涉及的鋼制車身可以用重量目標替代成本目標進行控制，因此目前的一些輕量化設(shè)計方法均可以作為實現(xiàn)該目標的手段。比較應(yīng)用廣泛的有多目標的拓撲優(yōu)化及綜合設(shè)計優(yōu)化。

拓撲優(yōu)化的相關(guān)理論和軟件經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)十分成熟[3]。在車身開發(fā)過程中使用拓撲優(yōu)化方法的難點在于合理的邊界條件與優(yōu)化空間建立以及優(yōu)化結(jié)果的解讀和工程化?；谶@兩點，拓撲優(yōu)化可以獲得一個合理的傳力路徑，為一個高效的車身結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)，如圖3。

而綜合設(shè)計優(yōu)化則針對設(shè)計中后期相對成熟的車身模型。此時整個車身的載荷路徑已經(jīng)固定，具體板金零件形貌及分片設(shè)計也接近完成。因此優(yōu)化內(nèi)容包含了接頭結(jié)構(gòu)、材料等級以及材料料厚。通過建立全參數(shù)化的有限元模型，靈敏度分析，遺傳算法等手段，尋找出最優(yōu)的接頭形式和材料等級與料厚組合。有文獻對此專門進行過研究，其對車身減重效果可達到3.5%～6%[4][5]。

4 零件設(shè)計的成本控制

對于鋼制車身，重量對成本影響明顯。但并非所有的減重手段都能起到降低成本的作用。比如，在鈑金零件上增加減重孔的設(shè)計，并不能降低零件自身的成本，因為這種做法并沒有提升零件的材料利用率。因此除了前述的輕量化手段，還可以通過一些低成本設(shè)計的手段來進一步降低產(chǎn)品零件的成本。其基本思想通過以下公式體現(xiàn)：

由于車身板金結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)成多變而復雜，因此式（2）的使用場合也非常靈活。以下通過兩個例子來具體闡述。

如圖4所示的車身流水槽結(jié)構(gòu)，某車型開發(fā)過程中初始方案為繼承前代車型的分片式結(jié)構(gòu)，由三個零件組成，其中還有一個非金屬的總裝零件。經(jīng)過成本優(yōu)化研究之后，簡化成一個零件的方案（圖5）。這個做法省去了兩套模具，并且取消了非金屬材料。整個系統(tǒng)的工序數(shù)減少，并且在材料利用率上也有所提升，最終降低了產(chǎn)品成本。具體分析如下。

可見在一個模具周期內(nèi)，該設(shè)計變更可以為企業(yè)帶來1055萬元的收益。實際該車型全生命周期可能會銷售100萬輛以上，即意味著2000萬以上的收益。

式（2）運用的另一種場合，如圖6所示的車身縱梁結(jié)構(gòu)，開發(fā)過程中的初始方案為繼承前代車型的整體式結(jié)構(gòu)，使用超高強鋼材料。但拓撲結(jié)果給出了呈外撇狀的路徑形式，而不同于前代車型的平直結(jié)構(gòu)。這就對零件的材料利用率造成了很大的損失。當這個問題被識別出來后，新方案就將該零件進行了分片，如圖7所示。

可見，該設(shè)計雖然是將一個零件變?yōu)閮蓚€零件，但從材料利用率和性能精益設(shè)計角度，降低了產(chǎn)品的成本。因此在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下，企業(yè)依然能夠獲得百萬元量級的收益。如果該車型產(chǎn)量過低，全生命周期低于1.5萬輛時，？駐P會小于0，即意味著該設(shè)計實際會造成產(chǎn)品成本上升。因此該手段同銷量密切相關(guān)。

5 結(jié)論

綜上所述，在車身項目開發(fā)前期，工程技術(shù)人員應(yīng)對開發(fā)目標的產(chǎn)品定位和市場需求進行詳盡的分析，制定合理的成本目標，指導后續(xù)的開發(fā)設(shè)計。而在開發(fā)過程中，則需要挖掘可降成本的空間，從設(shè)計層面提升產(chǎn)品的市場競爭力。這兩個階段所采取的方法可以有效地在不影響產(chǎn)品性能的前提下，降低產(chǎn)品的總體成本，最終為企業(yè)提升競爭力作出貢獻。

參考文獻：

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