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1、C Cl le ea an ne er r中国重汽汽车轻量化实例介绍中国重汽汽车轻量化实例介绍中国重型汽车集团有限公司中国重型汽车集团有限公司C Cl le ea an ne er r前 言近些年，随着我国汽车保有量的快速增长，加剧了我国石油资源的短缺。而其中汽车燃油消耗不仅是中国石油消费总量中增长最快的部分，而且所占份额将很快上升为第一位。因此，研制与开发出排放更少、能耗更低、安全性更高的新一代汽车产品已成为汽车界的最大发展目标。要实现这一目标，汽车轻量化是必然的选择。C Cl le ea an ne er r轻量化的意义轻量化的意义燃油消耗可燃油消耗可减少减少6%-6%-7 7% %卡车重
2、量减轻卡车重量减轻卡车重量减轻卡车重量减轻10%10%10%10%实现节能实现节能减少排放减少排放实现环保目标实现环保目标前 言C Cl le ea an ne er r汽车汽车轻量化基本方法与特点轻量化基本方法与特点 途径：途径： 采用轻量化材料采用轻量化材料 （高强度钢板、镀锌钢板、铝镁合金、复合材料等）（高强度钢板、镀锌钢板、铝镁合金、复合材料等） 优化汽车优化汽车产品产品结构结构 （使零部件薄壁化、中空化、小型化及复合化等）（使零部件薄壁化、中空化、小型化及复合化等） 特点：汽车结构、轻质材料、制造工艺三者的密切结合。特点：汽车结构、轻质材料、制造工艺三者的密切结合。前 言C Cl l
3、e ea an ne er r目前，在汽车轻量化研究过程中，主要的研究多数集中于车身新材料、新工艺的研究。在材料替代方面有工程塑料、复合材料以及金属合金等低密度材料和高强度钢等高性能比材料的开发应用。在加工装配方面采用先进的加工工艺和联接措施，减少辅助材料和零件的使用量。19902000年，美、日、德、等国汽车使用材料变化为Al合金5kg270kg/辆；Mg合金0kg200kg/辆；钢铁900kg200kg/辆；有机材料115kg200kg/辆；玻璃30kg60kg/辆，整车重量降低。轻量化的要求使汽车材料构成有了明显变化。目前，在国内外汽车上应用较多的轻量化材料有铝合金、镁合金、高强度钢、塑
4、料及复合材料等。中国正在大力推行以人为本的可持续发展战略，汽车产业使用可持续应用的材料无疑是中国汽车产业可持续发展的重要保证。 轻量化方法轻量化方法-轻量化材料轻量化材料前 言C Cl le ea an ne er r目前，在汽车轻量化研究过程中，主要的研究多数集中于车身新材料、新工艺的研究。在材料替代方面有工程塑料、复合材料以及金属合金等低密度材料和高强度钢等高性能比材料的开发应用。在加工装配方面采用先进的加工工艺和联接措施，减少辅助材料和零件的使用量。19902000年，美、日、德、等国汽车使用材料变化为Al合金5kg270kg/辆；Mg合金0kg200kg/辆；钢铁900kg200kg/
5、辆；有机材料115kg200kg/辆；玻璃30kg60kg/辆，整车重量降低。轻量化的要求使汽车材料构成有了明显变化。目前，在国内外汽车上应用较多的轻量化材料有铝合金、镁合金、高强度钢、塑料及复合材料等。中国正在大力推行以人为本的可持续发展战略，汽车产业使用可持续应用的材料无疑是中国汽车产业可持续发展的重要保证。 轻量化方法轻量化方法-轻量化材料轻量化材料前 言C Cl le ea an ne er r以HOWO-A7驾驶室白车身开发为例介绍轻量化设计在中国重汽的应用。本案例以有限元分析为基础，驾驶室白车身的截面厚度为设计变量，质量最轻为目标函数，顶压、后压、前压加载点位移为约束条件，对HOW
6、O-A7驾驶室进行灵敏度分析，最后通过优化部件截面厚度得到轻量化方案，并以ECE-R29（关于对商用车驾驶室乘员保护方面的车辆认证的统一规定）为标准对轻量化方案与原方案做结构安全对比分析。前 言C Cl le ea an ne er r优化流程中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl le ea an ne er r1、模型建立 有有限限元元模模型型包包括括驾驾驶驶室室白白车车身身、支支架架系系统统、车车门门和和内内饰饰。其其中中，驾驾驶驶室室白白车车身身有有限限元元等等均均为为薄薄壁壁结结构构，划划分分为为4节节点点或或3节节点点壳壳单单元元；前前下下横横梁梁划划分分为为梁梁单单元元；连连接接支支
7、座座划划采采用用4节节点点或或3节节点点壳壳单单元元模模拟拟；分分总总成成内内部部和和各各分分总总成成之之间间使使用用的的连连接单元主要为接单元主要为CWELD单元还有单元还有RBE2和和BEAM单元。单元。中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl le ea an ne er r2 2、仿真分析、仿真分析2.1 2.1 静力分析静力分析- -顶压分析顶压分析 顶压分析边界条件及载荷如图所示，底部约束前端转轴部分和后面支架下端，顶部压力10000N通过RBE2单元作用于顶盖上，下面是模型及分析结果图。中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl le ea an ne er r2.1 2.1 静力分析静力分析
8、- -后压分析后压分析 后压分析边界条件及载荷如图所示，底部约束前端转轴部分和后面支架下端，后部压力10000N通过RBE2单元作用于后壁上。下面是模型及分析结果图。C Cl le ea an ne er r 2.1 2.1 静力分析静力分析- -前前压分析分析 前压分析边界条件及载荷如图 所示，底部约束前端转轴部分和后面支架下端，前部压力10000N通过RBE2单元作用于前防火墙上。下面是模型及分析结果图。 中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl le ea an ne er r 在上述顶压、后压、前压静力分析有限元模型基础上进行灵敏度分析，边界条件及载荷均未改变。设计变量设定为驾驶室白车身部件
9、厚度；约束变量设定为加载点位移。约束条件为加载点位移小于原方案。以质量最小为目标函数，做顶压、后压、前压工况下的灵敏度分析。根据分析结果获得顶压、后压、前压工况下的部件设计变量ID号与 灵敏度系数的曲线，如下图所示。2.2 2.2 灵敏度分析灵敏度分析 中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl le ea an ne er r 灵敏度系数曲线灵敏度系数曲线-顶压顶压 中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl le ea an ne er r灵敏度系数曲线灵敏度系数曲线-后压后压 中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl le ea an ne er r灵敏度系数曲线灵敏度系数曲线-前压前压 中国重汽汽车轻量化实
10、例介绍C Cl le ea an ne er r 根据上面列表中所得的设计变量ID号，得到对顶压、后压、前压三种工况灵敏度系数较大的部件如图顶压灵敏度系数较大的部件 顶压灵敏度系数较大的部件顶压灵敏度系数较大的部件中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl le ea an ne er r 灵敏度系数越大说明改变等量位移所需改变质量越少，从分析的得到的灵敏度系数可以看出优化的重点应为地板、立柱和覆盖件，综合顶压、后压、前压加载点位移灵敏度系数，本着增加灵敏度系数比较大部件厚度，减少灵敏度系数较小部件的厚度的原则拟定出初步修改方案。 修改部件厚度如下表所示。灵敏度分析中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl
11、le ea an ne er r变量号变量号变量号变量号部件号部件号部件号部件号（pshellpshellpshellpshell）原厚度（原厚度（原厚度（原厚度（mmmmmmmm）更改后厚度更改后厚度更改后厚度更改后厚度(mm)(mm)(mm)(mm)部件名称部件名称部件名称部件名称88881841841.251.251.41.4做左地板做左地板89891851851.251.251.41.4右地板右地板19219268681.51.51.61.6发动机罩发动机罩33331301301.251.251414左门框左门框34341311311.251.251.41.4右门框右门框5454151
12、1511.01.01.21.2顶盖外板（左）顶盖外板（左）55551521521.01.01.21.2顶盖外板（右）顶盖外板（右）19819874741.51.51.61.6顶盖前加强板（左）顶盖前加强板（左）19919975751.51.51.61.6顶盖前加强板（右）顶盖前加强板（右）42421391391.01.01.21.2前围左加强板前围左加强板43431401401.01.01.21.2前围右加强板前围右加强板.中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl le ea an ne er r2.3 改进方案仿真分析 顶压顶压后压后压前压前压结果云图结果云图原位移（原位移（mmmm）2.8162
13、.8163.7553.7551.6971.697修改位移（修改位移（mmmm）2.5752.5753.5333.5331.6351.635降低比例降低比例8.6%8.6%5.9%5.9%3.7%3.7%原应力（原应力（MPaMPa）132.2132.2359.6359.6206.4206.4修改应力（修改应力（MPaMPa）124124343343200 200 降低比例降低比例6.2%6.2%4.6%4.6%3.1%3.1% 根据灵敏度系数进行修改的结构计算结果 经过轻量量化化分分析析之之后后，驾驶室室实现了了减减轻自自重重的的目目的的，驾驶室室质量量由由507.4Kg507.4Kg降降低至
14、低至486.4Kg486.4Kg，减重，减重4.14.1。中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl le ea an ne er r3.4 3.4 结构安全验证结构安全验证通过安全分析对轻量化结构进行验证。摆锤碰撞摆锤碰撞后压后压前压前压 通过数值和曲线对比可以看出，轻量化之后，并未降低驾驶室的结构强度，假人的生存空间通过数值和曲线对比可以看出，轻量化之后，并未降低驾驶室的结构强度，假人的生存空间还有小幅增加。还有小幅增加。中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl le ea an ne er r4、结论通过对驾驶室三种工况下的灵敏度分析，找到了对结构强度贡献较大的部件，对这些部件进行厚度的变化以减轻质量
15、，并且厚度变化范围较小，对改进后的结构进行了三种工况的静力分析，分析结果表明驾驶室的结构强度有所提高，然后又进行了动态的仿真验证，即以ECER29的试验规程为标准进行仿真分析，分析结果表明轻量化之后，乘员的生存空间还有小幅增加。综上，驾驶室经过轻量化分析之后，新结构质量减轻了21Kg，减重比例为4.1。考虑到改变材料强度之后会带来一系列的生产问题，比如成本、模具等，因此本次分析中并未对驾驶室部件的材料强度进行优化分析。中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl le ea an ne er r 在多目标的轻量化分析中，在保证驾驶室结构安全的前提下，对驾驶室结构进行了参数灵敏度分析，通过结构和材料的优化，成功使驾驶室“瘦身”21Kg，同时假人生存空间也有不同程度地提升。总总 结结中国重汽汽车轻量化实例介绍C Cl le ea an ne er r欢迎到中国重汽集团作客欢迎到中国重汽集团作客WELCOME TO SINOTRUK
