汽车轻量化技术及其应用课件

1、汽车轻量化技术及其应用课件汽车轻量化技术及其应用课件一、轻量化技术二、轻量化目标定义（设定）三、轻量化技术及其应用（案例分享） 四、未来的发展展望一、轻量化技术一、轻量化技术二、轻量化目标定义（设定）三、轻量化技术及其应用（案例分享） 四、未来的发展展望一、轻量化技术轻量化 - 共同关注的议题能车身轻量化主动安全与被动安全性 车身材料成本降低车身制造工艺成本降低 顾客舒适感知程度 车身结构设计平台化一、轻量化技术轻量化 - 共同关注的议题能车身轻量化一、轻量化技术轻量化的必要性一、轻量化技术轻量化的必要性一、轻量化技术轻量化的必要性一、轻量化技术轻量化的必要性一、轻量化技术汽车轻量化推动材料、

2、工艺及设计轻量化推动着：新的材料、新的工艺以及结构设计的进步一、轻量化技术汽车轻量化推动材料、工艺及设计轻量化推动着：新的材料、新的工汽车轻量化推动新材料的应用单一钢结构优化钢结构镁铝合金 车身结构件尼龙玻纤增强材料全铝车身 202520101995?车身结构材料的发展趋势技 术多材料设计高强度钢结 构PP长玻纤增强材料全铝车身框架碳纤维复 合材料?？复合无骨架车身?塑代钢应用车身结构件GMT玻毡复合塑料超高强钢 变厚度钢板热压成形液压成形 激光拼焊板年代- 汽车的多材料设计一、轻量化技术汽车轻量化推动新材料的应用单一钢结构优化钢结构镁铝合金 车身重量与安全一、轻量化技术重量与安全一、轻量化技

3、术视频 1969 vs 20091969 Chevrolet 整备质量 1517kg2009 Chevrolet 整备质量 1549kg一、轻量化技术视频 1969 vs 2009一、轻量化技术汽车产业未来发展方 向节能环保净化排气减少CO2回收利用减小环境压力轻量化安全舒适安全设计信息、通讯操控、便捷电子化轻量化作为一门综合学科，促进了现代汽车设计技术的发 展，其与材料、安全、耐久、结构设计、制造技术、连接技术、 NVH、操稳等核心技术紧密结合，轻量化的出现减缓了汽车重量的 增长速度。未来汽车设计的核心技术之一一、轻量化技术汽车产业未来发展方 向节能环保轻量化安全舒适轻量化作为一12一、轻量

4、化技术二、轻量化目标定义（设定）三、轻量化技术及其应用（案例分享） 四、未来的发展展望12一、轻量化技术二、轻量化目标定义（设定）熊飞2013-12-17世界钢铁协会模型, WidthMf ( PVA)PVA Length分析：优点：（1）可以快速的进行重量目标的 初始测算；缺点：需要对数据源进行分类筛选， 产生一次误差；没有考虑车型具体情况，不 具备通用性，产生二次误差；结论：不采用二、轻量化目标定义（设定）熊飞世界钢铁协会模型, WidthMf ( P菲亚特公司模型, Height, WidthMf ( PVA)PVA Length分析：优点：可以快速的对标杆车市场竞争力重量水平 进行评判

5、；可以快速的对开发车型重量目标进行粗略 设定；缺点：重量目标设定取决于标杆、竞品车型的选 定，误差比较大；不能定量的对开发车型目标值给出； 结论：不采用二、轻量化目标定义（设定）菲亚特公司模型, Height, WidthMf1. 白车身面密度重量模型M f (Wheelbase ,Track ( F & R)分析：优点：（1）可以衡量白车身轻量化水平；缺点：（1）没有考虑整车具体情况，不具备通用 性，误差较大；结论：不采用二、轻量化目标定义（设定）1. 白车身面密度重量模型M f (Wheelbase 体积密度重量模型M f ( Length ,Width , Height )分析：优点：可

6、以快速的进行重量目标的初始测 算；数据源的大量引用，具备一定通用 性；缺点：（1）没有考虑车型的具体形状情况，如掏 空系数，因此，有一定误差，但是有借鉴 性；结论：借鉴、修正、采用二、轻量化目标定义（设定）体积密度重量模型M f ( Length ,Width PT( 1k) VVkV - 等效体积； K - 体积因子； - 整车总体积； - 成员仓体积；轻量化设计重量模型借鉴莲花公司体积经验公式，确立等效体积重量模型, 导出等效体 积公式：二、轻量化目标定义（设定）PT( 1k) VVkV - 等效体积；建立等效体积重量模型 f（V）原理：M (V ) f (V )二、轻量化目标定义（设定）

7、建立等效体积重量模型 f（V）M (V ) f 根据修正参数公式，建立重量设计模型计算器，如下：建立修正参数公式M (V ) f (V ) ( Benchmark)重量设计模型创建二、轻量化目标定义（设定）根据修正参数公式，建立重量设计模型计算器，如下：建立修正参数一、轻量化技术二、轻量化目标定义（设定）三、轻量化技术及其应用（案例分享） 四、未来的发展展望一、轻量化技术三、轻量化技术及其应用（案例分享）（案例）非金属材料在汽车 轻量化上的应用开发，概况 起来可以划分为四个方向以塑代钢 轻量化设 计开发模块化、 集成化设 计开发结构优化 轻量化设 计开发 材料的轻 量化新应用三、轻量化技术及其

8、应用（案例分享）（案例）非金属材料在汽车 材料的轻模块化、结构优化量化新应集成化设计开发轻量化设 计开发用以塑代钢 轻量化设 计开发二、非金属材料的轻量化开发材料的轻模块化、结构优化量化新应集成化设轻量化设 计开发“以塑代钢”轻量化设计开发塑料后横梁的开发第一代设计方案：金属横 梁，280VK，重量为9.9kg;第二代设计方案：金属横梁， 340/590DP，重量为3.9kg;最新设计方案：塑料复合 材料横梁，重量仅为2kg;能够实现50%的减重效 果；能够满足安全性能要求;三、轻量化技术及其应用（案例分享）“以塑代钢”轻量化设计开发第一代设计方案：金属横 梁，28“以塑代钢”轻量化设计开发不

9、同材料的设计MaterialTotal MassNo. of components GMT 3.15 kg= 6Material Total MassNo. of components PC/PBT 1.8 kg= 1Highly engineered geometry of PC/PBT BeamPC/PBT beam fitted in existing spacePC/PBT beam brackets mounted at existing locationsReduced tooling cost Single piece no side coresReduced assembly

10、cost 1 componentReduced weight by 16%三、轻量化技术及其应用（案例分享）“以塑代钢”轻量化设计开发Material GMTMat“以塑代钢”轻量化设计开发PC/PBT后横梁开发重量 1.81 Kg主截面3.8MM PC/PBT三、轻量化技术及其应用（案例分享）“以塑代钢”轻量化设计开发主截面3.8MM PC/PBT“以塑代钢”轻量化设计开发性能验证GB 20072-2006法规分析，满足性能要求三、轻量化技术及其应用（案例分享）“以塑代钢”轻量化设计开发GB 20072-2006法规分“以塑代钢”轻量化设计开发性能验证GB 20072-2006法规分析，满足

11、性能要求三、轻量化技术及其应用（案例分享）“以塑代钢”轻量化设计开发GB 20072-2006法规分“以塑代钢”轻量化设计开发性能验证Max Force 61 kNNo significant damage to rear floorECER42&RCAR三、轻量化技术及其应用（案例分享）“以塑代钢”轻量化设计开发Max Force 61 k发动机罩外板B180H1 0.7发动机罩内板DC04 0.7采用CF复合材 料开发，能够 实现50%减重。“以塑代钢”轻量化设计开发塑料发动机舱盖（前瞻开发）传统结构三、轻量化技术及其应用（案例分享）发动机罩外板发动机罩内板采用CF复合材 料开发，能够 实

12、现5电池支架结构图（前侧视图）电池支架结构图（后侧视图）“以塑代钢”轻量化设计开发电池托架的轻量化技术开发：右图为某车型的电池支架三维视图，红圈是焊 点，金属支座有有翻边，用于增强刚度。，侧 边有焊点。没有偏心受力出现。绿色件(DC01) 为电池固定板，厚度为1.2mm；黄色和灰色件 为金属托盘，黄色件(B250P1)厚度为1.5mm， 灰色件厚度为2mm。三、轻量化技术及其应用（案例分享）电池支架结构图（前侧视图）电池支架结构图（后侧视图）“以塑31 改进前电池支架结构图（sabic托板）下面为电池支架三维视图，红圈是焊点，蓝圈是螺栓连接。如果塑料托板刚度不够，就会导致偏心受力 出现。绿色件

13、为电池固定板（DC0件），厚度为1.2mm；灰色件为sabic托盘，灰色件(SABIC)厚度为 3.5mm。电池支架结构图（前侧视图）受力位置受力位置电池支架结构图（侧视图）三、轻量化技术及其应用（案例分享）31 改进前电池支架结构图（sabic托板）电池支架结构图32有限元模型 改进前电池支架计算结果（sabic托板）强度计算结果模态计算结果垂向弯曲模态（HZ）纵向弯曲模态（HZ）塑料支架23度模态23.1131.05塑料支架80度模态20.8926.93塑料支架120度模态19.224.25X方向6g（MPa）Y方向6g（MPa）Z方向6g（MPa）电池固定板 塑料托盘 电池固定板 塑料托

14、盘 电池固定板 塑料托盘塑料支架23度最大应力82763.42374.758.72607.130.48塑料支架80度最大应力887.259.25457.255.13655.927.65塑料支架120度最大应力934.856.5526.252.16694.725.77结论：1、塑料托盘满足低于材料许用应力，满足要求。2、塑料支架的电池固定板与金属支架的电池固定板在各工况下相比，应力增加比例比较高，不满足要求。3、塑料支架的电池固定板与金属支架的电池固定板相比，垂向和横向弯曲模态降低较多，不满足要求。4、造成这个现象的原因是，塑料支架的z向弯曲刚度不够，和约束点不够。改进方向：进一步改进塑料托盘结

15、构；增加支撑点。三、轻量化技术及其应用（案例分享）32有限元模型 改进前电池支架计算结果（sabic托板）模33 改进后电池支架结构图（sabic托板）考虑到垂向刚度不够在原有托板上，对原基础上进行进行加筋（紫色部分），红圈部位加螺栓。由于120度最为恶劣， 所以按照120度进行分析。Sabic托板上视图Sabic托板下视图三、轻量化技术及其应用（案例分享）33 改进后电池支架结构图（sabic托板）Sabic托板X方向6g（MPa）Y方向6g（MPa）Z方向6g（MPa）电池固定板塑料托盘电池固定板塑料托盘电池固定板塑料托盘塑料支架23度最大应力82763.42374.758.72607.1

16、30.48塑料支架80度最大应力887.259.25457.255.13655.927.65塑料支架120度最大应力934.856.5526.252.16694.725.77金属支架最大应力599.8/158.3/476.9/塑料支架120度改进后591.918.83116.013.61355.913.84垂向弯曲模态（HZ）纵向弯曲模态（HZ）塑料支架23度模态23.1131.05塑料支架80度模态20.8926.93塑料支架120度模态19.224.25金属支架模态25.6235.83塑料支架120度改进后24.4442.55重量(KG)改进前塑料支架0.4085金属支架1.636改进后塑

17、料支架0.4413结果汇总结果：1、改进前sabic在23度，80度，120度温度条件下，与原金属托板相比，模态和强度都降低比较多。2、改进后在120度下，模态和强度都比原金属支架略微有所改善。34三、轻量化技术及其应用（案例分享）X方向6g（MPa）Y方向6g（MPa）Z方向6g（MP材料的轻模块化、结构优化量化新应集成化设计开发轻量化设 计开发用以塑代钢 轻量化设 计开发三、轻量化技术及其应用（案例分享）材料的轻模块化、结构优化量化新应集成化设轻量化设 计开发 模块化、集成化设计开发前端模块的轻量化开 发20082011模块化轻量化效果全金属结构，超过 15个零件组成嵌件金属框架加上塑料复

18、 合材料包覆，零件减 少20132014全塑框架，局部金属 增强，集成功能少全塑框架，局部金属嵌件增强， 集成化设计三、轻量化技术及其应用（案例分享） 模块化、集成化设计开发前端模块的轻量化开 发200820 模块化、集成化设计开发不同结构前端模块的轻量化效果金属框架塑料复合结模块化前端结构集成化模块前端结构构能够实现10%的减 重效果；减少了零件数量；采用PA材料，成本 相对偏高；能够实现20%的减 重效果；模块化设计，减少 了零件数量；采用PP-LFT材料， 成本较低；能够实现30%的减 重效果；模块化、集成化设 计，大量较少零 件；采用PP-LFT材料， 成本低；三、轻量化技术及其应用（

19、案例分享） 模块化、集成化设计开发金属框架塑料复合结模块化前端结构集 模块化、集成化设计开发静刚度CAE分析X轴方 向Y轴方 向Z轴方 向二、非金属材料的轻量化开发 模块化、集成化设计开发X轴方 向Y轴方 向Z轴方 向二、 模块化、集成化设计开发安装点动刚度CAE分析二、非金属材料的轻量化开发 模块化、集成化设计开发析二、非金属材料的轻量化开发材料的轻模块化、结构优化量化新应集成化设计开发轻量化设 计开发用以塑代钢 轻量化设 计开发三、轻量化技术及其应用（案例分享）材料的轻模块化、结构优化量化新应集成化设轻量化设 计开发 结构优化设计开发三、轻量化技术及其应用（案例分享） 结构优化设计开发三、

20、轻量化技术及其应用（案例分享） 结构优化设计开发保险杠的薄壁化开发常规的设计为3.0MM壁厚；采用普通的PP滑石粉材料；单件重量45kg*;马自达CX-5采用2.5MM壁厚采用2.0MM壁厚三、轻量化技术及其应用（案例分享） 结构优化设计开发马自达CX-5采用2.5MM壁厚采用2.43 结构优化设计开发薄壁化开发面临的挑 战面临的主要挑战减薄后产品的成型问题；减薄后可能导致产品的刚性下降；减薄后导致的产品强度降低。 实施技术方案提高材料熔体指数，增加流动性，由现行标准提 高到30g/10min以上，解决可能充不满、注射压力 大、注射温度高等问题；提高材料模量，通过技术分析，适当的提高弯曲 模量

21、，可以解决因减薄带来的强度和刚度下降问题。制品刚性与材料弯曲模量、壁 厚的关系三、轻量化技术及其应用（案例分享）43 结构优化设计开发三、轻量化技术及其应用（案例分享） 结构优化设计开发成形分析填充时间 6.25S最大压力 48.76MPa最大锁模压力 1554.7T熔接痕三、轻量化技术及其应用（案例分享） 结构优化设计开发填充时间 6.25S最大压力 48. 结构优化设计开发薄壁化保险杠产品采用2.8MM壁厚开发已经完成零件开发与验证，性能满足要求2.5MM壁厚设计；高刚性PP材料；单件减重1015%，总计减重0.8kg;成本降低；三、轻量化技术及其应用（案例分享） 结构优化设计开发采用2.

22、8MM壁厚开发已经完成零件开发与46落锤冲击应用结构胶无结构胶结构胶的优势：吸能+应力分散 结构优化设计开发结构胶的轻量化应用开发结构胶应用对车身性能的贡献：刚度提高：一般8-15%；模态提升：一般1-3赫兹；疲劳性能提高：一般100-1000%；耐冲撞性提高；减少焊点；解决复合材料、镁铝合金等异种材料的连接问题；能够实现车身的减重；三、轻量化技术及其应用（案例分享）46落锤冲击应用结构胶无结构胶 结构优化设计开发三、轻量 结构优化设计开发结构胶的轻量化开发三、轻量化技术及其应用（案例分享） 结构优化设计开发三、轻量化技术及其应用（案例分享）三、轻量化技术及其应用（案例分享） 结构优化设计开发

23、结构胶的轻量化应用开发15 4Case1 126139810Case2=Case1+1123Case3=Case2+14No.PART NAMEScheme (MAT and Thickness)Lighten-Weight Va lue(kg)1Hinge pillar outer (LH ,R H)1.5mm1.4mm0.4722A pillar outer (LH ,RH)1.5mm1.4mm0.163Sill outer (LH ,RH)1.5mm1.4mm0.6944Sill inner middle (LH ,RH)1.5mm1.4mm0.5485Sill inner front(

24、LH ,RH)DC01/1.5B340-590DP/1.20.286Sill inner rear (LH ,RH)1.5mm1.4mm0.2287Roof side rail outer (LH , RH)1.5mm1.4mm0.148Rear wheel cover outer(L H ,RH)0.8mm0.7mm0.8489C pillar inner (LH ,RH)0.8mm0.7mm0.44210Rear floor connect brack et (LH ,RH)0.8mm0.7mm0.1811Drain channel0.8mm0.7mm0.472Total lighten-

25、Weight Mass_Case_014.22kg12Front Floor the second Y axis ail(LH ,RH)1.8mm1.6mm0.32413Luggage frame1.5mm1.2mm0.598Total lighten-Weight Mass_Case_025.14214Sill outer (LH ,RH)1.4mm1.2mm1.4Total lighten-Weight Mass_case_036.542kg三、轻量化技术及其应用（案例分享）15 4Scheme49Left B-Pilla rLeft B-Pilla rLeft B-PillarLeft

26、B-PillarRight B-Pill arRight B-Pill arRight B-PillarRight B-PillarBASE MOD ELSTRUCTUR E GLUELIGHTEN-WEIGHT_Case_01LIGHTEN-WEIGHT_Case_02BASE MOD ELSTRUCTUR E GLUELIGHTEN-WEIGHT_Case_01LIGHTEN-WEIGHT_Case_02Acceleratio nPeak42.343.143.942.636.736.437.336.0Avg 609 5ms32.133.533.532.728.429.129.129.0X-

27、dir Acceleration (B-Pillar Lower) 结构优化设计开发安全性能分析X-dir Acceleration (B-Pillar Lower)三、轻量化技术及其应用（案例分享）49Left B-Pilla rLeft B-Pilla 结构优化设计开发刚度模态分析with structure gluewithout structure glue三、轻量化技术及其应用（案例分享） 结构优化设计开发with structure gluew 结构优化设计开发结构胶的轻量化应用开发Basic Model (Witho ut glue )Case_01Case_02Case_03T

28、arge tWith glueWithout glueWith glueWithout glueWith glueWithout glueBending stiffness (N/mm)20,18920,151, -0.19%19,400, -3.9%20,142,-0.23%19,388, -4%19,853, -1.7%18,656, -7.6%Torsion s tiffness (Nm/deg)26,21526,012, -0.7%25,610, -2.3%25,780, -1.7%25,330, -3.4%25,603, -2.3%24,540, -6.4%First Ben ding(Hz)51.3151.48,0.3%51.16, -0.29%51.19, -0.23%50.93, -0.74%51.05, -0.5%50.77, -1.1%First Tors ion(Hz)53.1453.84,1.3%52.90, -0.45%53.89,1.4%52.93, -0.4%53.82,1.3%52.86, -0.5%Mass (Kg)336.54.22Kg Lower5.142Kg Lo