林佳武，李玄霜，陳宗明，陳 東，李永祥，耿富榮

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

前言

人們對汽車乘坐舒適性和碰撞安全性等的高要求促使傳統(tǒng)燃油汽車向更堅固、質(zhì)量更重的趨勢發(fā)展，從而產(chǎn)生更多的能源消耗和尾氣排放［1］，違背了節(jié)能減排的要求。汽車車身的輕量化設(shè)計不僅是延長續(xù)航里程的有效措施，且能改善整車的操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性。

輕量化手段主要包括輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計和新材料與新技術(shù)的應(yīng)用。其中，新材料的應(yīng)用是最為直接而高效的手段。鋁合金密度是鋼的1／3，吸能性能是鋼的2倍，且較耐腐蝕［2］；當(dāng)選用鋁合金制造車身結(jié)構(gòu)件如車身后縱梁替代其傳統(tǒng)鋼制結(jié)構(gòu)時，不僅可減輕車身質(zhì)量，還能保證車身節(jié)點的剛度，滿足防撞要求，提高整車碰撞安全性。

車身后縱梁是汽車發(fā)生后撞時的主要承載和吸能部件，傳統(tǒng)鋼制車身一般采用高強鋼板沖壓成形，但在后撞工況中縱梁出現(xiàn)嚴(yán)重變形，會導(dǎo)致燃油車油箱的破壞，造成燃油泄漏；對于電動車會發(fā)生電池包擠壓變形，電池包損壞。王力等［3］在后縱梁薄弱區(qū)域增添加強板、縱梁尾部增加弱化筋、使用更強的安裝支架及調(diào)整焊點的措施來優(yōu)化后縱梁總成、改善其碰撞吸能特性。楊濟匡等［4］使用正交試驗設(shè)計方法和綜合平衡法對后縱梁和后保險杠的板厚、材料參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。孫喜龍等［5］通過延長后縱梁長度、增加導(dǎo)向槽和焊點數(shù)等措施優(yōu)化后縱梁，改善了后撞性能。以上方法雖然對后撞性能有一定的提升，但卻增加了整車質(zhì)量，不利于車身的輕量化。徐鑫等［6］和楊志強等［7］采用激光拼焊板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于后縱梁，相對于點焊搭接結(jié)構(gòu)方案具有更好的耐碰撞性能和明顯的輕量效果。Kim等［8］通過參數(shù)化建模分析了不同載荷作用下縱梁的能量吸收程度和破壞機理。真空高壓鑄造鋁合金后縱梁有一個較大的設(shè)計空間和設(shè)計自由度，可采用有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計來改善其碰撞性能，提高輕量化效果；另外，以高壓鑄造一體成形技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)多鋼件焊接結(jié)構(gòu)，集成多個安裝點于一體，實現(xiàn)模塊化，有利于車身剛度的提升。

本文中以某電動車型真空高壓鑄造鋁合金后縱梁為例，從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、真空高壓鑄造工藝設(shè)計和產(chǎn)品性能分析4個方面闡述真空高壓鑄造鋁合金后縱梁的輕量化設(shè)計。

1 材料選擇

傳統(tǒng)鋼制后縱梁總成由后縱梁、后縱梁加強板和安裝支架等鋼制沖壓件拼焊而成，如表1所示。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件約15個，整體質(zhì)量約13.5 kg。改用一體壓鑄鋁合金后縱梁可在保證原有性能大幅度提升的前提下，實現(xiàn)后縱梁的模塊化和輕量化。

表1 鋼制拼焊后縱梁總成

目前真空高壓鑄造鋁合金所用原材料可分為3類：Al-Si系列、Al-Si-Cu系列和Al-Si-Mg系列，均可進(jìn)行后續(xù)熱處理。Si元素的加入可顯著改善合金的流動性，抑制高溫脆性，當(dāng)Si含量在9%～12%時，鑄造鋁合金的鑄造性能和強度都較好［9］。經(jīng)過行業(yè)內(nèi)一些車型的不斷探索和驗證，目前各種性能指標(biāo)較為均衡，且技術(shù)比較成熟的材料是AlSi10MnMg。

材料足夠的拉伸斷后延伸率和折彎角可以確保零件材料有良好的塑性，是鋁合金零件在鉚接時鉚接點不發(fā)生開裂的前提條件。一般而言，高壓鑄鋁件的斷后延伸率都低于3%。因此，為進(jìn)一步提高塑性，還須對產(chǎn)品進(jìn)行后續(xù)熱處理，使其在長期服役的條件下形狀和尺寸變化能夠保持在規(guī)定范圍內(nèi)［10］。表2為真空高壓鑄造鋁合金后縱梁經(jīng)T7熱處理后的性能指標(biāo)。

表2 經(jīng)熱處理后材料性能指標(biāo)

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 后撞工況下的耐撞性設(shè)計

后縱梁是汽車發(fā)生倒車碰撞或追尾事故時的主要受損部件，其耐撞性能的好壞直接決定汽車安全性能的優(yōu)劣。

汽車發(fā)生后撞時，白車身下車體后端分為A和B兩個區(qū)域，如圖1所示。A區(qū)域主要產(chǎn)生相對穩(wěn)定的軸向碰撞變形，是主要的能量吸收區(qū)。B區(qū)域在后縱梁設(shè)計時應(yīng)避讓底部底盤系統(tǒng)，且縱梁前端連接電池包，為避免電池包碰撞時發(fā)生擠壓變形，造成電池?fù)p壞，后縱梁需要一定的彎曲剛度來抵抗彎折變形，主要起傳遞碰撞載荷作用，其傳遞碰撞力約占總碰撞力的60%以上。

圖1 碰撞空間示意圖

基于不同區(qū)域的不同功能要求，將后縱梁設(shè)計成由兩個不同剛度的部件組合而成，分別稱為后縱梁前段和后縱梁后段。前段主要抵抗變形，采用鋁合金真空高壓鑄造而成；后段則通過變形吸收碰撞能量，采用鋁合金擠出成型。本文中主要討論真空高壓鑄造鋁合金后縱梁前段的輕量化設(shè)計。

2.2 后縱梁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化多應(yīng)用在結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計階段，是在給定的設(shè)計空間內(nèi)找出最優(yōu)的材料分布。同時可在不同工況要求下，幫助提取載荷路徑［11］。

為更好地進(jìn)行輕量化設(shè)計以及后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的制定，在概念設(shè)計早期階段對后縱梁前段進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。首先基于汽車車身真實的試驗工況，設(shè)置車身彎曲、扭轉(zhuǎn)、前撞、側(cè)撞、后撞工況下的邊界條件；其次確定后縱梁前段的設(shè)計空間和非設(shè)計空間，非設(shè)計空間主要是后排座椅、后排座椅安全帶、后副車架等安裝點以及與門檻梁、后縱梁后段的搭接面等；最后以設(shè)計空間單元的密度為變量，最小應(yīng)變能為目標(biāo)，總體積分?jǐn)?shù)＜0.3為約束條件進(jìn)行優(yōu)化。

分別提取彎曲＋扭轉(zhuǎn)＋前撞＋側(cè)撞＋后撞、后撞、彎曲＋扭轉(zhuǎn)＋前撞＋側(cè)撞工況下后縱梁前段的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，如圖2所示。從圖2（a）可以看出，后副車架和座椅安裝點等功能區(qū)材料分布較多，非功能區(qū)材料分布較少?？v梁空腔區(qū)域分布一條貫穿縱梁前后的隨形加強筋，用以傳遞X向載荷，抵抗彎折變形。對比綜合工況與單一工況拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：傳遞路徑主要來源于后撞工況，如圖2（b）所示。圖2（c）為彎曲＋扭轉(zhuǎn)＋前撞＋側(cè)撞工況下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，空腔區(qū)域材料分布密度較低，故交叉分布加強筋以抵抗變形，提高縱梁剛度。

圖2 不同工況拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

拓?fù)鋬?yōu)化使車身結(jié)構(gòu)在滿足最大剛度的同時實現(xiàn)后縱梁結(jié)構(gòu)的輕量化，為后縱梁前段結(jié)構(gòu)設(shè)計中各區(qū)域料厚的確定和加強筋的布置提供參考。

2.3 后縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 截面設(shè)計

一體鑄造后縱梁結(jié)構(gòu)，其自身強度剛度較高，但不同截面形式對車身性能影響較大。表3示出兩種典型后縱梁截面：H字型和幾字型。在材料面積近似相同情況下，計算兩種截面的抗彎和抗扭性能。其中，抵抗彎曲變形的能力用慣性矩表示，抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力用扭轉(zhuǎn)常數(shù)表示。可以看出，幾字型截面的抗彎和抗扭能力更強。

截面形式確定后，考慮后縱梁前段X向分別連接門檻梁和后縱梁后段，底部須避讓懸架包絡(luò)，因而承載式車身的后縱梁常呈拱形。Y向與后地板連接，根據(jù)后地板布置可在連接區(qū)域增加翻邊搭接后地板面板，結(jié)構(gòu)如圖3所示。壁厚根據(jù)功能需求有所不同，與鈑金連接區(qū)域及上下功能面壁厚定義為3 mm，非功能面壁厚為2.5 mm，如縱梁側(cè)面。為利于輕量，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化材料密度分布結(jié)果，局部區(qū)域可分段確定壁厚，如虛線框中壁厚為2.5 mm。

表3 不同截面形式的抗彎扭性能

圖3 后縱梁結(jié)構(gòu)

2.3.2 加強筋的布置

對于壓鑄件，隨著壁厚的增加，鑄件內(nèi)部氣孔、縮孔、縮松等缺陷會增加，設(shè)計加強筋時應(yīng)盡量避免通過加厚來提升強度剛度等，因此在進(jìn)行鑄件結(jié)構(gòu)增強時優(yōu)先考慮增設(shè)加強筋［12］。后縱梁鑄件加強筋設(shè)計主要依據(jù)以下原則：首先，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，在縱梁空腔區(qū)域布置隨形加強筋，以傳遞載荷，隨后沿此加強筋交叉布置Z向或與Z向呈一定角度的加強筋，以提高縱梁剛度；其次，為增加翻邊強度，在翻邊的根部做加強筋局部加強，以減小熱處理后變形；最后，考慮輕量化，加強筋整體做成內(nèi)凹弧形，以最大限度減少不必要的材料使用，如圖4所示。

2.3.3 連接方式的設(shè)計

圖4 加強筋布置

由于鋁合金和鋼在導(dǎo)熱率、導(dǎo)電率和熔點等方面的差異，以及熔化焊時導(dǎo)致的零件變形和界面脆性相［13－14］，具有較高工藝兼容性和良好經(jīng)濟性的傳統(tǒng)電阻點焊技術(shù)難以實現(xiàn)鋁合金與鋼的可靠連接，因此鑄鋁件與其他零件連接采用冷連接，如自沖鉚接（self-piercing rivet，SPR）、流鉆螺釘（flow drill screw，F(xiàn)DS）和螺栓連接。

SPR是通過鉚釘穿透鉚釘端板材之后，在鉚模的作用下鉚釘尾部的中空結(jié)構(gòu)擴張刺入鉚模端板材，產(chǎn)生咬邊效果來實現(xiàn)連接。后縱梁翻邊與其他沖壓件采用SPR連接，如表4中后縱梁與封板之間采用兩層SPR連接，與后地板、座椅橫梁采用3層SPR連接。

但當(dāng)連接點的某一側(cè)為封閉腔體時，SPR需配合凹模實現(xiàn)的雙邊連接工藝無法應(yīng)用。FDS利用流鉆螺釘?shù)母咚傩D(zhuǎn)使連接材料摩擦生熱而塑性變形，同時將螺釘旋入材料實現(xiàn)螺紋連接，如與后縱梁后段擠壓型材之間采用FDS連接，如表4所示。

對于鉚槍不可達(dá)的位置，采用螺栓連接，如表4中與門檻梁之間的連接。對扭矩和疲勞性能要求高的安裝點（如副車架、座椅等），采取嵌入鋼制螺紋套的設(shè)計，如表4中與后副車架之間的連接。

表4 后縱梁前段與周邊件的連接方式

3 產(chǎn)品工藝分析

由于鋁合金壓鑄后縱梁較長且空腔區(qū)域布置了一條貫穿的隨形加強筋，選取鑄件輪廓最大面為分型面，以便于鑄件脫模。最后，為減小壓鑄過程開始階段的卷氣，在鑄件長度方向上選取較為平直一側(cè)設(shè)置內(nèi)澆口，如圖5所示。鑄件末端設(shè)置閥A與閥B，負(fù)責(zé)抽取型腔內(nèi)的氣體，在鋁液到達(dá)閥芯之前施加壓力進(jìn)行關(guān)閉，以保證型腔內(nèi)達(dá)到高真空狀態(tài)。此外，鑄件填充末端設(shè)置溢流槽，以儲存混有氣體和鋁液的殘渣，控制金屬液的流動狀態(tài)，防止局部產(chǎn)生渦流。

澆注開始時，鋁液初始溫度為 700℃，以0.25 m／s的慢壓射速度進(jìn)入澆道和內(nèi)澆口，當(dāng)鋁液充滿所有內(nèi)澆口后，壓射速度提升到3 m／s，使鋁液快速充填型腔。圖6為鑄件的溫度場模擬結(jié)果?？梢钥闯?，鋁液填充平穩(wěn)，澆注順序合理，型腔中的空氣隨著鋁液的推進(jìn)被順序擠出，100%填充后，鑄件整體溫度均高于AlSi10MnMg材料的液相線溫度，因而鑄件因鋁液溫度下降出現(xiàn)冷隔的風(fēng)險較小。

圖5 澆注系統(tǒng)設(shè)計

圖7 為鑄件的速度場和氣壓模擬結(jié)果。由圖可知，內(nèi)澆口處鋁液流速約40 m／s，狀態(tài)良好。鑄件整體氣壓值在0.3 MPa以下，閥A與閥B的位置設(shè)置比較合理。

圖6 填充溫度場模擬分析結(jié)果

圖7 填充速度場及氣壓模擬分析結(jié)果

4 產(chǎn)品性能分析

4.1 后撞工況仿真分析

車輛后撞工況中，后縱梁前段須有一定的剛度來抵抗彎折變形，以降低電池包發(fā)生擠壓變形的風(fēng)險，后縱梁后段發(fā)生壓潰變形，吸收一部分碰撞能量。50 km／h后撞工況下，防撞梁、吸能盒、后地板及后縱梁后段發(fā)生壓潰變形，吸收大部分碰撞能量，后縱梁前段幾乎不發(fā)生變形，電池包殼體入侵9 mm，塑性應(yīng)變0.14%，電池包周邊及內(nèi)部部件無尖銳物擠壓，電池包安裝點區(qū)域X向和Y向入侵量分別為0.15和0.09 mm，電池包合成加速度峰值為15.1g，電池包冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和內(nèi)部線纜塑性應(yīng)變?yōu)?，滿足設(shè)計目標(biāo)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 50 km／h后撞仿真分析結(jié)果

4.2 安裝點剛度分析

真空高壓鑄造鋁合金后縱梁集成多個安裝點于一體，包括后副車架、后排座椅等安裝點，需要滿足一定的剛度要求來抵抗零件由于共振引起的失效。CAE分析結(jié)果如圖9所示。由圖可見，后副車架和后排座椅安裝點靜剛度值滿足設(shè)計目標(biāo)值。

動剛度是衡量結(jié)構(gòu)抵抗預(yù)定動態(tài)激擾能力的特性。若干擾力頻率遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)固有頻率，動剛度與靜剛度基本相同；若干擾力頻率遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)固有頻率，結(jié)構(gòu)變形較小，即動剛度較大；若干擾力頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相近時，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，此時動剛度最小，即最易發(fā)生變形。動剛度不足會對整車的乘坐舒適性和疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。動剛度計算公式［15］為

圖9 左后副車架和座椅安裝點靜剛度

由式（1）～式（3）得源點加速度導(dǎo)納函數(shù)表達(dá)式為

式中：a為響應(yīng)點隨頻率變化的加速度，m／s2；X（ω）為響應(yīng)點隨頻率變化的位移，m；F（ω）為激勵點隨頻率變化的載荷，N；ω為圓頻率，rad／s；f為固有頻率，Hz；K為響應(yīng)點隨頻率變化的剛度，N／m；IPIf為IPI響應(yīng)分析所得曲線上對應(yīng)的縱坐標(biāo)值，m／s2·N。

當(dāng)頻率 f＝fi＝i（i＞0）時，由式（4）得出頻率 fi時的動剛度為

為便于對結(jié)果處理，一般直接采用IPI響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，并采用分析點的等效動剛度Ka與動剛度目標(biāo)值Kd比較以對連接點的動剛度特性進(jìn)行分析。等效動剛度Ka公式推導(dǎo)如下：

將式（7）代入式（6）得到該連接點的等效動剛度Ka為

式中：SIPI－Ka為 IPI分析中 IPI＿Ka響應(yīng)曲線所包圍的面積；Δf為計算頻率步長。

圖10為后副車架左前和左后接附點在X、Y、Z 3個方向的IPI分析結(jié)果。曲線IPI＿Ka為IPI響應(yīng)分析曲線，兩條曲線IPI＿Kd為目標(biāo)動剛度的IPI響應(yīng)曲線。由圖可知，曲線IPI＿Ka所包圍的面積小于目標(biāo)曲線IPI＿Kd所包圍的面積，表示后副車架左前和左后接附點在X、Y、Z 3個方向的等效動剛度大于目標(biāo)值，滿足設(shè)計目標(biāo)。

圖10 后副車架左前和左后安裝點動剛度曲線

5 結(jié)論

通過材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝分析和性能分析闡述了某電動車型真空高壓鑄造鋁合金后縱梁的輕量化設(shè)計。相比傳統(tǒng)鋼制結(jié)構(gòu)，一體鑄造技術(shù)實現(xiàn)了后縱梁結(jié)構(gòu)的模塊化和輕量化，得到的后縱梁質(zhì)量約9.3 kg，比原件減輕31%。澆注系統(tǒng)設(shè)計合理，鋁液填充平穩(wěn)，后撞工況后縱梁前段幾乎不發(fā)生變形，電池包未發(fā)生擠壓變形，后副車架、后排座椅安裝點靜剛度滿足目標(biāo)值，后副車架接附點等效動剛度大于目標(biāo)值，滿足設(shè)計要求。