周槿枫　孔娇龙　耿娟

摘 要：随着现代汽车工业节能环保思想与汽车新四化方针的推进，轻量化技术越来越广泛应用于乘用车领域。汽车工程师在不牺牲汽车整体性能、整车操纵性的前提下，通过轻量化手段降低车身重量，不仅仅是给汽车生产商带来成本上的收益，对于整车性能、安全、动力的优化与操纵性的提升，同样可以带来十分明显的提升。据统计白车声的重量占整车质量的三分之一，在驾驶者使用过程中，将近一半以上的油耗用到了车身质量上。本文将重点阐述某车型在白车身轻量化项目过程中，通过应用热成型技术实现汽车轻量化的过程，其白车身轻量化进程主要内容大概可以概括为俗语“摸、排、滚、打”，即白车身性能摸底、排查、分析選代、最终打价格战。

关键词：热成型技术 白车身轻量化 有限元分析 性能指标

A Practical Case of Applying Thermoforming Technology to Achieve Lightweight Body-in-white

Zhou Jinfeng，Kong Jiaolong，Geng Juan

Abstract：With the advancement of the modern automobile industry's energy conservation and environmental protection thinking and the new four automotive principles， lightweight technology is increasingly widely used in the field of passenger cars. On the premise of not sacrificing the overall performance of the vehicle and the handling of the vehicle， the automotive engineer reduces the weight of the vehicle body by lightweight means， not only bringing cost benefits to the automobile manufacturer， but also for the optimization of the performance， safety， and power of the vehicle. The improvement of maneuverability can also bring an obvious improvement. According to statistics， the weight of the white car sound accounts for one-third of the vehicle's mass. During the driver's use， nearly half of the fuel consumption is used on the body's mass. This article will focus on the process of applying thermoforming technology to realize the light weighting process of a certain model in the body-in-white lightweight project. The main content of the light weighting process of the body-in-white can be summarized as the sayings "touch， row， roll， hit"， that is， the body-in-white performance survey， investigation， analysis and selection， and finally a price war.

Key words：thermoforming technology， lightweight body-in-white， finite element analysis， performance index

1 车身轻量化设计背景

汽车的发展从当初的富人玩具，逐渐优化演变，从代步工具一步一步变成与我们消费者生活密不可分的生活必需品。随着人们消费水平的提高，汽车已经逐渐从消费者的代步需求向个性化、娱乐性和舒适性迈进，同时对汽车碰撞安全性、强度耐久性与NVH性能要求的不断提高，必然会导致在车身上加装各种功能的零部件，提高相应的配置致使汽车的重量不断增加，这导致汽车的整车整备质量较过去二十年来持续上升。

1.1 车身轻量化的主要设计原则

汽车轻量化设计中应遵循的原则如下：

1.1.1 引入空腔原则

设计过程中，多采用开孔结构，例如工艺孔、减重孔的广泛应用。

1.1.2 轻盈结构原则

在满足我们结构强度、刚度的前提下，通过密度较轻的材质、薄壁的结构来实现轻量化。

1.1.3 利用曲率原则

设计过程中，若需要大面积平板结构，通常设计带有曲率的结构来增加刚度。

1.1.4 放大面积惯性矩原则

设计构成中，多使用空心腔体结构，在满足惯性矩的性能前提下，实现轻量化设计。

1.1.5 一体化原则

轻量化设计结构时，俗称为零件合并，类似厚度的零部件可已通过设计成一个零件的手段，减少连接单元，实现轻量化设计。

1.2 车身轻量化的计算方法

轻量化零件的单元受力分析和结构设计在整个轻量化优化工作中占很多的比重，具体工作内容主要是求解内力变量或者变形的微分方程或者方程组。随着目前计算机性能的提升与普及应用，实际工作中已经越来越多地采用仿真计算方法。迄今为止，有限元法应用最为广泛。有限元法是面向计算的方法，借助力学单元（梁、壳、板、块等）的储存，提供用于软件技术的汇编算法与解析算法，通过计算程序求解该方程组，输出结果为节点的变形、应力与支撑的反作用力。

2 热成型技术在汽车上的应用

2.1 TWB拼焊不等厚

将不同厚度的单件拼接到一起，实现不同区域性能要求下的不用厚度需求，节省材料，实现车身轻量化。

2.2 TRB柔性轧制板

可以通过变厚的材料板材设计，根据不同承受的受力区域来设计板材的厚度和形状，通过定制产品实现结构减重，最终实现轻量化需求。

2.3 TTP软区

根据对硬度的不同需求，设计不同区域不同的硬度分区。

2.4 补丁板Patchwork Blank

多针对于需要局部加强强度的安装点优化，例如座椅安装点、悬架固定安装点等，多应用于螺母板结构的拓展。

3 基于某乘用车车型轻量化实践及思路

3.1 整车摸底

该项工作主要对性能、质量分布、材料分布厚度组成等进行摸底，对现有车型进行初步的了解工作。汽车轻量化设计的主要思路就是在确保稳定性能的基础上，优化性的设计各总成零部件，持续的优化车型结构，在保证汽车的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，结构设计合理性，降低燃油与电力，所以对目前阶段车型各项性能的了解程度和性能拆解是轻量化工作的核心内容。

3.1.1 性能摸底

主要针对整车安全碰撞、强度耐久性能、NVH性能三方面进行整车性能摸底，针对基础车型CAE有限元分析，对灵敏度、弱点区进行方向性确定。

3.1.2 厚度分布摸底

考虑到设计周期的时间成本，修模成本等，当前国内的主要汽车轻量化措施是提高材料等级减薄车身板厚度。通过对车身厚度的逐一筛查，进一步接近轻量化目标。

3.1.3 材料分布摸底

随着碳纤维、镁铝合金、钛合金等新材料的飞速发展，具有密度低，强度高的零件材料日益增加，但是对于钢材领域，热成型件的高性价比，简单的工艺优势，仍然在轻量化领域占有很重要的比重。到目前为止，热成型件在汽车轻量化设计中，仍被广泛应用。

3.2 整车排查

3.2.1 有限元性能排除工作

根据初步筛选的零部件集，在确保稳定性能的基础上，重新设计零件厚度并进行性能评估。筛选因零件变动而影响的工况，主要涉及碰撞安全，结构耐久、NVH。如下表1。

3.2.2 成型工艺限制排除工作

热成型零件虽然具有强度较高的材料属性，但是其延伸率与冷冲件进行比较，在碰撞溃缩区域表现并不理想。一些冷冲件可以实现的复杂结构热成型零件很难实现，所以在冷冲件替换热成型的过程中，还需要进行相应的结构优化。在优化时应以经济效益为基础，考虑该零件在集成中的边界条件进行设计。

3.3 滚动式分析

经过一轮排查后，涉及的零部件并不能完全满足性能要求，針对未满足性能需求的零件进行相应的产品优化。这部分工作主要集中在CAE仿真以及成型工艺的分析上，其次产品更改后成本需要重新校核。

3.4 打价格战

通过完成整车性能包括：强度耐久分析、安全碰撞及NVH、焊装可行性、基地及分包焊装线改制、涂装可行性、尺寸精度控制、供应商开发等工程可行性分析，锁定预开发件，由采购及商务进行最终一轮整体收益核算与定点，最终锁定开发零件，实现车身轻量化。

4 总结与反思

目前，能源短缺与可持续化发展早已成为全球焦点问题，石油消耗带来的汽车尾气排放污染，已成为大气环境污染主要的根源之一，给我们环境保护带来了严重的压力。为了解决目前世界环境问题，世界各国尤其是发达国家都在不断制定严苛的汽车环保法规。在节能、环保的双重压力下，汽车产业必须承担社会责任，设计并研发低排放、零排放的汽车产品，汽车轻量化也正是在这种背景下成了世界汽车发展的潮流。

参考文献：

[1]王登峰.车身参数化与轻量化设计[M].北京：机械工业出版社，2019.