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1、新能源汽车轻量化钢制车身结构摘要未来钢制汽车计划（FSV）的目标是为紧凑型的电动汽车（BEV）提出一个能制造出完全不同的钢制车身结构的详细设计构思，也确认了为适应大的插电式混合动力车（PHEV）或燃料电池车（FCEV）车身结构的改变。这篇文章将说明七个经过优化的车身的子部件是如何达到减重35%,同时满足安全要求和整个寿命周期内碳排放目标要求。该文章也将对先进的设计优化过程和相应先进的钢材和制造技术概念进行解释。前言朱来钢制汽车计划（FSV）”是世界汽车钢（WorldAutoSteel）项目，该组织为世界钢铁联盟下属的汽车钢组，共包含全球范围内17家大型钢铁生产企业。“FSV十划”是一个涉及几百
2、万欧元资金，为期三年的计划，旨在发展出安全、重量轻及采用先进高强钢制造的车身结构，该新型车身结构能够满足电动汽车的不同要求和减少汽车在整个寿命周期内的温室气体（GHG）排放。GHG气体指的是大气中能够加剧地球温室效应的气体，这些气体能够吸收地球表面的热量，使热量在地球表面和大气层之间进行循环，导致地球表面的平均温度升高。“FSV十划”将会阐明用先进高强钢来制造车身结构，减轻汽车重量和减少GHG气体排放。本文说明了“FSV十划”中的相关的钢铁技术和设计构思，及第二阶段现已所获得的结果。1.0项目目标“FSV十划”中工程技术人员关注的焦点是提出一种新的全局性的开发设计方法，目标是开发出具有创新性的
3、整车布置和优化的车身结构的先进汽车，该车将会使用一系列在2015年至2020年之间比较成熟的先进钢铁材料和制造技术。“FSV十划”主要分为三个阶段：阶段1:工程研究（已完成）阶段2:构思与设计（至2010年）阶段3:展示和具体实施（至2011年）第一阶段主要是对将来适用于2015年至2020年之间的，先进汽车动力系统和适合批量生产的未来汽车技术进行综合性评价和验证，该阶段所获得的结果在另外一篇报告中有阐述。户IWI图1-1“FSV十划”的整个设计优化过程“FSV十划”已进行到第二阶段的中间阶段，优化设计采用先进高强钢制造的车身结构，主要涉及到4种不同的汽车，电动汽车(BEV)和插电式混合动力汽
4、车(PHEV-20),属于A级/B级汽车；插电式混合动力汽车(PHEV-40)和燃料电池汽车(FCEV)，属于C级/D级汽车。本文主要说明了第二阶段中从T1到T4的工作内容，包含对门槛(therocker)、B柱、顶盖、前纵梁和后纵梁、前上承载梁(frontupperloadpath)和电池中通道梁(batterytunnelloadpathmembers)七个部件的结构优化。整个设计过程示意图如附录中图1-1所示。1.1“F时划”可选用的先进动力系统及性能参数第一阶段主要完成了汽车的技术规格说明和确定了汽车的总体布置，汽车的总体布置展示了先进动力系统模型的主要构件及相应的工程内容，这些动力系
5、统已经被证实将会在2015-2020年间在汽车市场上广泛运用。表1.1是第二阶段要开发的汽车上备选的动力系统性能参数。表1-1备选的动力系统及性能参数Tablei-1.PoHertrahtOpfioitaandPefjorntanceFSV14-dMFliHlctibarknainlatiigPlM-InbrldFHEV2032knTfflnl;5OTkmSpraJ：顷m/hCMMkmhll-U5llAlIlifirvEkcfrkBEV250kmMas8时由1用OdOOhnHiIblJsFSV2cmci*-1-dooir血*伯43部mmlongFlu-lnII)hridPHEV10BlCsiC
6、rfcR标gM64kifHTcrtal:5WkmMiisiSpwd;16】km出CHODknvh10-02sFurlErlFCEVTcmISOOkinMaxSpeed:O-IQOhn/h(M2s“FSV十划”的工程技术人员推荐将续航里程范围为250Km的电动汽车(BEV)作为第二阶段详细设计的重点关注内容。BEV的动力系统是备选动力系统中最重的，用先进钢来制造汽车车身并且要求降重，这会很具有挑战性。因而，对BEV汽车的车身进行结构优化则很有必要。BEV汽车的车身详细设计优化，完全可以扩展运用到PHEV和FCEV汽车。1.1车身结构的重量目标A级/B级的BEV汽车车身重量目标是190Kg，并且要
7、满足2020年的安全规定要求和整个寿命期间的排放要求。车身重量190Kg这一目标，要比基准车身重量轻35%,这要比ULSAB-AVC计划的减重25%要高出很多。为了达到这一具有挑战性的减重目标，BEV汽车车身设计方法包括了使用一系列先进高强度钢材、采用先进的钢材加工技术、对多个车身部件、形状、使用材料及规格进行优化。传统汽车车身的设计目标主要关注碰撞安全性、车身的总体刚性、震动噪声、耐用性和可加工性。“FSV计划”的车身设计目标在传统汽车车身设计目标的基础上(涉及汽车重量及成本)，运用了一种评价汽车在整个寿命周期中碳排放量的方法，以此来促使减少汽车碳排放。该碳排放量评价方法，协同汽车设计优化技
8、术、材料、设计目标和解决方案选择标准，希望能够在可接受的制造成本的基础上，共同促使汽车进一步的减重和减少碳排放。本文对该方法进行了说明，并且希望能够提出一个可供其它汽车计划参考的路线图。1.2未来的设计优化方法的说明一大自然式的灵活(NaturesWaytoMobility)“FSV十划”中值得称赞的车身开发设计优化过程(见图1-1)希望能像大自然那样，具有很高的能量和资源使用效率，创造出与以前完全不同的、非直观的车身外形和优化了的车身结构。因此，这就进一步的推动了要采用可减轻车身重量的钢材。“FSV十划”中借助整车分析，对所用钢种类的选择、材料规格和厚度进行了优化。1.3整个寿命周期内的碳排
9、放“FSV计划”在设计开发过程中使用了汽车在整个寿命周期内的CO2排放量（LCA）评价方法作为技术方案选择的标准。LCA评价方法考虑了汽车的整个寿命周期内产生的CO2排放量，包括了制造汽车所用的材料、汽车制造过程、使用过程和最后的回收过程，以及汽车整个寿命周期内的燃料消耗。因此，基于UCSB的GHG材料对比模型，汽车的各子系统的减重对车的全部气体排放影响的LCA结果，进一步说明了使用先进高强度钢制造汽车，减轻汽车的重量具有重要的意义。注意：这里提到的CO2只是多种加剧全球温室效应气体中的一个代表，也包括其它可产生温室效应的气体。2.0第二阶段设计方法“FSV十划”的整个设计过程如图1-1所示，
10、第二阶段的工作主要是从T1到T6的一系列任务。正如前文所提到的，本文主要涉及目前已完成的从T1到T4的内容。2.1T1:总体布置，CFD模拟和外形样式在第一阶段技术评价之后，对动力系统布置、车内部空间大小、乘员的出入要求、驾驶员的视野情况、行李箱容积大小要求、人体工程学和车身内部件（如转向柱）的研究，确定了各部件和车内乘员空间的要求。汽车外部总体布置示意图，如图2-2所示，该外形样式为确定汽车外型框架提供了必要的数据。接着借助计算机流体动态模拟技术（CFD）改进汽车外形的气动阻力，使空气动力学参数Cd达到0.25这一目标，完成了汽车的外形设计，也满足之前相关研究的要求。“FSV十划”中原始设计
11、外形与最新设计外形的空气动力学性能对比如表2-1所示。从表2-1中可以看出，原始设计外形的Cd值0.354要比0.25这一目标值高42%,经过对设计进行一系列的修改，最终设计外形的Cd已降低到了0.237，而A级/B级车外形的Cd一般为0.31。最终设计外形的效果图，见图2-3C,这是未加后轮罩的效果图，加上后轮罩后汽车的空气动力学参数Cd将会增大到0.252,但是加上后轮罩更符合买家的意愿。表2-1空气动力学性能结果Table2-LAerodynamicPerformiiHceResu/rsMnklFurer(N)LiftForceDragC时ITki倾lLiftCoefneienlISVB
12、aselineCFDModel48513ModifiedOrigiralFSVMedel3552240.2590.163LatestFSVSiblingModt1(withwheelskirts)3251010,2370.073Figure2-2.ExteiiarStylingTheme图2-2汽车外部总体布置示意图2.2T2:结构优化结构优化的任务就是根据第一原则，应用如图2-4所示的结构空间提出初始的汽车结构。该汽车结构布置考虑了汽车外形样式（图2-3C）,以及后面要考虑的零件和乘员布置（图2-3A）。“FSM十划”设计出这种结构模型也考虑了以下几种可能承受的载荷：三种径向载荷（IIHS4
13、0%ODB偏置前撞、NCAP前撞、FMVSS301-70%OBD后撞），两种横向载荷（IIHS侧撞、FMVSS214柱撞），一种垂直载荷（FMVSS216顶盖撞击，IIHS4倍强度重量比），以及弯曲和扭转静态刚度。结构优化是一种线性的静态分析，用等效静态载荷模拟那些动态的非线性的碰撞过程，其反作用于汽车质量惯性负荷，如图2-4A所示。图2-4A中所示的对冲击载荷的线性近似，反作用惯性释放约束，表示了汽车部件的质量。这种静态分析的方法不管施加的碰撞负荷和零件质量的作用负荷，允许负荷路径在可用的结构空间内。“FSV十划”中先进的动力系统导致独特的质量分布问题，是该计划考虑的重要方面。.1Compm
14、ienlandPgww睥rPwka&h垠KAenfdyitamreStuxlyC.StyihiffSfHilyJRgwr?瓦SIPm*岫Hg心而eandSfyibtfj图2-3FSV空气动力学性能及外观样式研究-LSilrMA：inrufApiriTtmdLmlJm*嫌讷片B./TrJjj30%r/岫!峪CNhW艇J晚I?D-T2SlrricHuralbrtrjJFffluliivnFiijrt24.Au伽加心3冲M&ifjr用j?曲M耕图2-4结构优化结果有限元分析网格表示可用的结构设计空间，将不必要的结构去掉，在剩余的空间内结构存在（图2-4A）,结构优化找出最佳的承载路径。通过测量应变能
15、确定结构件的作用，依据其作用大小来决定是否将该结构件去掉，当剩余结构最有效，不需要再去除结构。汽车减重也是进行优化的目标。基于以上分析，结构优化的目标为减重30%,20%和10%。基于结构优化的结果（见图2-4B和C）,形成了如图2-4D所示的CAD几何模型。这个几何模型显示了“FSM十划”汽车设计的最初几何框架，并且为下一步的优化过程打下了基础。通过更好的理解承载结构，其常导致非直观方案，不同的减重目标支持工程决断确定整车不同的结构。这一方法将更深入的理解转为结构制造的最佳负载路径。2.3T3:低保真度3G的优化（几何形状，材料种类和规格）虽然结构优化可以为“FSV十划”中的汽车设计提供最初几何形状框架，但是它也具有一定的限制，比如对动态的撞击载荷只能进行近似的静态估算，并未考虑结构部件的材质的差异。一般来说，最初汽车构件的材料选择是基于工程判断和相关人员的经验。在T2阶段静态负载路径优化的基础上，T3阶段将承载路径的优化移到了动态设计领域（LSDyna动态有限元程序）和运用多准则设计优化程序（HEEDS?MultidisciplinaryDesignOptimizationProgram）oT3阶段也将对主要承载部件的几何横截面，材料及其规格进行低保真度优化，即LF3G设计优化。LF3G设计优化的结果展示了在动态分析领域的结构件及其大概的材料
