面向轻量化的热成形钢白车身刚度分析

供稿|郭晶，宋博，王铭泽

内容导读 基于有限元分析，在满足白车身设计规范的前提下，用热成形钢PHS2000 替代部分传统高强钢，进行白车身轻量化的刚度分析研究。根据白车身结构安全性能要求，建立弯曲刚度和扭转刚度的有限元模型，以传统高强钢材料白车身的刚度分析结果为基准，进行以热成形钢PHS2000 为替代材料的白车身轻量化开发，保证车身性能符合相关要求。结果表明：在满足白车身刚度设计规范前提下，热成形钢替代传统高强钢能实现白车身减重5.28%，满足轻量化设计要求。

气候变化是人类面临的全球性问题，汽车行业是全球温室气体排放的主要领域之一。随着我国汽车保有量的不断提升，如何减少汽车行业碳排放是实现碳中和、碳达峰目标中的一个重要环节[1-6]。汽车轻量化就是在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排放污染[7]。实验证明，若汽车整备质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%[8]。由于节能和环保的高要求，汽车的轻量化已经成为研究热点[9-17]。

轻量化材料的应用是汽车轻量化的主要方式之一，本文以PHS2000 热成形钢轻量化材料替代传统高强钢，应用Hyperworks 软件对白车身进行有限元仿真分析。通过建立弯曲刚度和扭转刚度工况，最终获取白车身的刚度分析结果，有限元分析数据为白车身轻量化设计提供参考。

轻量化材料

热成形钢材料在成形之前需要进行加热和保温使其奥氏体化，再将加热到一定温度的板料送入带冷却系统的冲压模具内成形，并对其进行淬火，热成形钢材料从奥氏体组织转变成马氏体组织，从而获得超高强度。因此热成形钢及热成形技术成功解决了钢板屈服强度提高但成形性能变差的问题，通过对板厚减薄实现降重和节约耗材，热成形技术消除回弹影响，成形件精度高和质量好[18-22]。

本文应用的PHS2000 热成形钢，厚度1.2 mm，依据GB/T228.1—2010 标准进行静态拉伸实验，得到其常温下的工程应力应变曲线及淬火后的工程应力应变曲线，见图1。

图1 PHS2000 工程应力应变曲线

有限元模型建立

白车身模型建立

白车身有限元模型如图2 所示，基础数据见表1。该白车身共有170 个零件，在有限元模型中共有748473 个网格，760932 个节点，5545 个焊点。白车身用材共20 个牌号，28 个规格，优化后热成形钢使用量占比25.3%（图2（b）深色部分）。

表1 本钢白车身基础数据

网格划分使用的标准为10 mm×10 mm，控制其最小尺寸为3 mm，模型的连接包含缝焊、点焊、螺栓/铆钉、胶粘、铰接等连接方式装配。对于此白车身模型，在刚度分析中采用2 种材料：碳钢和焊点实体单元材料。焊点的密度设为7.85×10-9t/mm3，弹性模量为210000 MPa，泊松比为0.3。分配进行相关零部件厚度，使有限元模型与零部件实际结构相符合。

扭转刚度工况

有限元分析中假设部件整体为扭转刚度均匀分布的杆，由材料力学可得扭转刚度计算公式为：

式中：GP为扭转刚度，θ为扭转角，F为扭转力，D为加载点之间的横向距离。

加载点之间的扭转角示意图如图3 所示：

其中扭转角计算公式为：

式中，Z1、Z2为加载点的垂直位移。

对该白车身在5000 N 的Z向载荷（加载位置为左右减震器处）下进行扭转刚度分析，具体约束情况如图4 所示，在水箱横梁Y向零点处约束YZ（23）方向的平面自由度，左右后减震塔点分别约束XYZ（123）平动自由度和YZ（23）平面自由度。

图4 扭转刚度载荷和约束示意图

弯曲刚度工况

白车身的弯曲刚度指部件受到垂向载荷作用时的垂向张力，用挠度值来衡量。在实际工程应用中，弯曲刚度K通常用垂向加载到部件上的总载荷F与加载的垂向最大位移δ之间的比值来衡量，其计算公式为：

对白车身结构在4000 N 垂向载荷作用下进行弯曲刚度分析，在4 个座椅位置分别加载1000 N 的Z向作用力，合力为4000 N。白车身弯曲刚度约束与载荷如图5 所示，在水箱横梁Y向零点处约束Y（2）方向的平面自由度，约束左、右前减震塔的Z（3）方向平面自由度，在后减震塔位置分别约束XYZ（123）平面自由度和YZ（23）平面自由度。

图5 弯曲刚度载荷和约束示意图

结果与讨论

扭转刚度分析

采用传统高强钢的白车身扭转刚度的分析结果和最大力云图如图6 所示。由位移云图可知，减震器处的最大垂向位移为2.36 mm，最小垂向位移为-2.25 mm，由公式（1）～（2）计算可得，扭转角约为0.234°，左、右前减震塔距离1129 mm，因此力矩为5645 N·m，白车身结构的扭转刚度为24123.9 N·m/(°)。

图6 优化前白车身结构扭转刚度分析：(a)垂向位移云图；(b)最大力云图

采用PHS2000 热成形钢替换部分传统高强钢的白车身扭转刚度的分析结果和最大力云图如图7 所示。由位移云图可知，减震器投影点的最大垂向位移为2.68 mm，最小垂向位移为-2.76 mm，由上述扭转角计算公式可得，扭转角约为0.276°，左、右前减震塔距离1129 mm，因此力矩为5645 N·m，白车身结构的扭转刚度为20452.9 N·m/(°)。

图7 优化后白车身结构扭转刚度分析：(a)垂向位移云图；(b)最大力云图

弯曲刚度分析

采用传统高强钢的白车身的弯曲刚度分析结果和最大力云图如图8 所示。提取位移云图中门槛节点的Z向位移，再经过归零处理可知，节点Z向最大（绝对值）位移为-0.185 mm，故白车身的弯曲刚度为21621.6 N/mm。

图8 优化前白车身结构弯曲刚度分析：(a) Z 向位移云图；(b)最大力云图

采用PHS2000 热成形钢替换部分传统高强钢的白车身的弯曲刚度的分析结果和最大力云图如图9所示。同样提取相关节点的Z向位移可知，节点Z向最大（绝对值）位移为-0.197 mm，所以白车身的弯曲刚度为20304.6 N/mm。

图9 优化前白车身结构弯曲刚度分析：(a) Z 向位移云图；(b) 最大力云图

轻量化效果评价

综上所述，传统高强钢和PHS2000 热成形钢这两类材料在弯曲和扭转工况下的刚度分析结果如表2。

表2 白车身轻量化前后刚度比较

传统高强钢的厚度1.4 mm 时，白车身质量为324.10 kg，采用PHS2000 热成形钢作为替换板材料后，厚度减薄0.2 mm，质量下降到306.99 kg。虽然弯曲和扭转刚度略有下降，分别降低6.1%和10.7%，但仍能够达到整车扭转刚度大于20000 N·m/(°)和弯曲刚度大于20000 N/mm 的设计要求，同时减重效果可达到5.28%，质量降低17.11 kg，有非常显著的轻量化效果。

结束语

1）试验获得了热成形钢的常温状态和淬火后的静态拉伸曲线。

2）热成形钢替代传统高强钢，替换后白车身结构的扭转刚度为20160.7 N·m/(°)，弯曲刚度为20304.6 N/mm。厚度减薄后，刚度性能依然能够达到整车扭转刚度大于20000 N·m/(°)和弯曲刚度大于20000 N/mm 的设计要求。

3）热成形钢替代传统高强钢，厚度减薄0.2 mm，减重效果可达到5.28%，轻量化17.11 kg，有非常显著的轻量化效果。