专栏·轻量化|车企实习见闻：如何实现新能源汽车的轻量化
2016-12-08 by:CAE仿真在线 来源:互联网
实
习的作用在于验证自己的职业抉择,了解目标工作内容,学习工作及企业标准,找到自身职业的差距。对于即将步入研究生最后一年的我,实习的意义更为巨大。在学期末的那段时间里,我参加了几种不同类型的企业的宣讲,包括石油、材料、电气以及咨询,最终,我来到了XX公司,从事我最为看好的新能源汽车。对新能源汽车的认识源于特斯拉的火爆,周边媒体聚光灯下的报道使我意识到,电动汽车的时代即将来临。虽然无缘试乘特斯拉汽车,但是我却体验过比亚迪的纯电动车E6,安静的行驶,完全没有振动的怠速,再加上清新的车内环境,毫无任何汽油味道,这让极其讨厌内燃机和汽油的我对汽车有了全新的认识。
本着先选行业再选公司的原则,我来到了该集团的整车集成部。与带教老师,也就是我们整车集成与试制科的高级经理进行一番沟通后,此阶段我的任务是学习新能源汽车的轻量化。由于目前电池技术的限制,锂电池的容量有限,燃料电池的最大输出功率较低,新能源汽车的续航里程普遍和传统汽车无法匹敌,并且新能源汽车虽然减少了发动机和汽油存储模块,却增加了电动机和电池模块,整体重量不轻反重,这也给新能源汽车的应用带来了新的挑战。研究表明,传统汽车每减重100kg,百公里油耗可降低0.28L,CO2排放量减少6-8g/km,对于新能源汽车则更为明显。锂电池和燃料电池本身的重量难以大幅度降低,只能在传统汽车设计部分进行优化。本着这一核心任务,我们的课题从整体设计到关键零部件设计,遍布整个汽车。举例而言,对现存车型XX的轻量化,首先做的就是结构优化。因为在车型设计初期,存在一些过设计和过保护,这些是可以通过设计进行优化的,并且,将新能源系统放置在传统车型中,车身结构同样存在优化的空间,因此通过改变设计即可实现一定幅度的减重,目前,XX车型可以通过优化设计减重100kg以上,而这部分减重,单车成本增加很低,甚至降低单车成本,具有极高的减重性价比。当进行结构优化无法达到减重目标时,这时就要考虑新材料和新技术的采用。通常而言,采用新材料和新技术往往意味着成本的增加,这里我们不仅要考虑减重的性价比,还要考虑新材料新工艺在量产化工程中可能会遇到的问题,这些都将影响减重方案,甚至整体设计结构。下面,我将按照当前减重的流程介绍轻量化所关注的任务和我对这些工作的认识。对汽车而言,轻量化最基本的方法就是结构优化设计,目前,结构优化通过全参数化的车身正向设计实现,将仿真分析引入前期概念设计阶段,不仅可以实现轻量化的车身设计,还能缩短分析和设计周期,降低成本。举例而言,目前XX车身总重量高达1.8吨,而同级别的大众帕萨特仅为1.5吨,在使用材料级别相近的前提下,如何减重近300kg,这一疑问困扰着我们。XX汽车的白车身重量超过300kg,然而根据FSV(Future Steel Vehicle)的设计,仅采用高强钢这一类材料,通过结构优化设计,白车身重量就可降低到200kg,这是非常有诱惑力的。因而实现这一正向设计和优化的过程,便是我们的研究重点之一。在这里,我们使用多学科多目标优化的优化方法,联合多种软件处理这一问题:首先通过Catia / HyperMesh进行参数化建模和网格划分,然后通过Hyberworks / Optistruct进行拓扑、尺寸和形貌优化,Nastran/Ansys进行结构强度、刚度、模态分析,nCode/Fatigue进行结构耐久性分析,Adams/DOE进行动力学分析和试验优化设计,Virtual Lab / VA one 进行NVH分析,以及LS-Dana进行结构非线性和碰撞性能分析。此外,新材料的采用使我们不得不更加依赖模拟设计,例如采用碳纤维复合材料结构件,因为碳纤维丝束的数量,织布编织方法,多层织布的叠加走向等都极大的影响了复合材料的性能,并且碳纤维复合材料是宏观上的脆性材料,传统的设计思路很难操作。当结构优化无法完成轻量化目标时,关注的重点便转向新材料和新工艺。值得一提的是,新材料和新工艺并不是孤立于结构优化设计之外的,当我们采用了新的材料,为了更好的利用这些新材料,便开发一些新工艺;或者对传统材料使用新工艺,以提高性能或降低成本,然而这些都是建立在结构优化设计之上的,二者相互融合,没有结构优化设计,新材料和新工艺难以产生优良的效果。目前,轻量化的核心就是使相应的材料、最优的结构形状和尺寸用在汽车结构最合适的位置,使每部分材料都能发挥出最大的作用,提高材料的利用率,降低车体重量。在此,我了解了高强钢、铝合金、镁合金和碳纤维是如何应用在汽车上。以高强钢为例,在几年前汽车用钢还是以软钢为主,DP600已经算是很高的级别,但现在汽车B柱使用的热成型钢材,整体强度超过1000MPa。铝合金材料替代钢制材料是另外一个趋势,之前的钢制副车架,钢制摆臂也逐渐用铝合金代替。目前,XX采用的铝制前舱盖便是一个量产化的例子,尚未量产的有铝制的车门等等。为了配合新材料的应用,需要开发或引入新的连接工艺,例如异种金属的连接通常采用螺栓连接或柳接,但同时存在的还有硬钎焊(钢和铝合金的连接,尚未量产化应用),胶接点焊复合焊(铝合金和镁合金的连接,尚未量产化应用)等,此外,在汽车工业中广泛应用的激光拼焊和不等厚轧制,都是很先进的成型工艺。可以说,没有新材料和新工艺,汽车的轻量化可以做的工作极其有限。在下面的表格中,我汇总了一些汽车代表部位使用的新材料或新工艺,这些材料和工艺在合理的结构设计下,减重的效果非常明显。
对车身具体部件而言,轮毂的重要性不言而喻,由于轮毂工作在转动状态,轮毂的重量和汽车的滚动阻力息息相关,如果可以实现轮毂的轻量化,那节能效果远比车身明显。目前铝合金轮毂已经在乘用车中得到普及,但在自然界中镁合金的密度仅为1.74g/cm3,相比铝合金2.7g/cm3的密度,在同等强度设计下,重量可大为降低,据一位工程师介绍,他所设计的镁合金轮毂相比铝合金可以减重超过30%。研究表明同等级别的铝合金轮毂汽车,如果换装镁合金轮毂,在120km/h的时速下,百公里油耗将下降0.5L,并且车速越高,节油效果越明显,这是非常令人激动的数据。然而,在上天给镁合金一副矫健的筋骨的同时,也给了它一副易于衰老的皮肤。镁合金相比铝合金,最大的问题就是腐蚀,镁合金在大气中被腐蚀,形成的氧化膜非常疏松,腐蚀会透过氧化膜继续加深,直至结构性损坏,而轮毂恰恰是汽车所有部件中工作条件最为恶劣的,因此腐蚀问题限制了其推广应用。目前镁合金在汽车中应用最为广泛的就是方向盘骨架。此次我们邀请到一位镁合金腐蚀防护领域的国内知名专家,介绍了他目前的解决方案,即通过微弧氧化电泳,在镁合金表面形成了多孔但非常牢固的氧化镁膜,然后用树脂进行渗透和涂覆,这样便可以形成致密的保护层,据悉,他们的保护技术已经通过了通用总部的验证,但处理价格高达400元/轮,而目前的铝合金轮毂成品价格仅为300-1000元/轮。碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量新型纤维材料,通常我们所说的碳纤维一般代指碳纤维增强复合材料。即将碳纤维原丝以丝束为单位,编制成碳纤维布,然后浸入树脂中,按照需要的形状把多层碳纤维布叠加在一起成型。目前,还存在一种较新的成型技术,即RTM树脂传递注塑,把碳纤维放入模具中,然后注入树脂,这种技术可以提高碳纤维复合材料的成型效率。我们在该领域工程师的指导下,分别设计了碳纤维前舱盖,碳纤维翼子板,碳纤维后视镜盖,碳纤维行李箱盖,碳纤维尾翼和储氢瓶增强部件。由于工艺成型性能良好,碳纤维几乎可以替代汽车任何外饰部件,并且碳纤维质量非常轻,用碳纤维代替原有部件,可以实现高达50%的减重效果,但不利的是成本会增加数倍。由于目前的工作重点是碳纤维外饰部件,因此对碳纤维的外观提出了较高的要求,在我们定做碳纤维前舱盖和翼子板的时,就发生了一个意想不到的问题,由于二者的供应商不是一家公司,虽然同样是3k编织布,但是编织方法不同,分别是斜纹和横纹,因此外观上有明显的区别。为了研究碳纤维部件量产的可行性(BMW公司的纯电动车i3采用全碳纤维车身,已经量产化),我们还邀请了碳纤维供应商东邦来做介绍,这为我接下来的工作重点碳纤维结构化车身提供了条件。由于轻量化工作的系统性,汽车内饰中最为重要的座椅也在轻量化的重点范围之内。原本我以为汽车座椅属于轻量化较为容易实现的部件,然而事实并非如此。因为汽车座椅在安全性和功能性方面的要求很高,很难在机械结构上对座椅进行优化,所以,实现每个座椅减重5kg是一个十分宏大的目标。目前的做法是尽量用铝合金替代座椅中的钢制骨架,这样在保证强度的前提下可以减重30%,然后采用轻量化塑料靠背以实现进一步轻量化。由于涉及到多方,汽车公司、塑料材料提供商,再加上座椅设计商,三商共同完成这一轻量化任务,因此,三方直接的沟通必不可少。
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