高强度汽车大梁钢结构减重仿真分析

高强度汽车大梁钢结构减重仿真分析

王俊

长城汽车股份有限公司河北省汽车技术创新中心  071000

摘要：随着汽车行业的不断发展，市场对于汽车性能、使用寿命以及节能减排等方面要求逐渐提高，车企为了满足市场需求，通过对汽车结构性能的强化，提高汽车各个零件的使用强度，但是这就导致汽车部件结构重量提升，为此车企为了能够在保证汽车性能的同时，减轻车辆结构重量，对大梁钢结构进行改造。本文以大梁钢结构为例，通过分析高强度汽车大梁钢结构特点以及结构改造工艺，对汽车大梁钢结构减重情况进行模拟。

关键词：高强度汽车；大梁钢结构；减重分析

引言：车企在设计汽车结构时，利用低合金材料作为大梁结构的主要的材料，为了保证车结构重量有所减轻，通过对汽车钢结构进行模拟仿真分析，确定钢结构减重方案，在整个仿真分析中，为了保证车辆结构建设质量，对汽车大梁钢结构进行深入研究，在低合金结构基础上，强化合金强韧化设计，并利用对汽车零部件的正向开发，对汽车零部件情况进行核验，模拟高强度汽车在运行期间，结构减重情况，经检测发现结构的钢板厚度减少0.15mm，车身结构重量减轻约18%。。

1. 高强度汽车大梁钢结构特点

为保证高强度汽车大梁钢结构减重分析结果准确性，在对减重结构进行分析前，确定高强度汽车大梁钢结构材料属性和力学特点。

1.1材料属性

在对汽车大梁钢结构减重情况进行分析前，获取 BG700L钢材料的力学特性，将钢材料能杨氏模量210000MPa，泊松比0.3，密度7.85e输入至仿真模拟模型中，确保减重仿真分析能够具有对应的参数。

1.2力学特点

高强度汽车大梁结构选用钢材料作为主材料，钢材料型号为 BG700L，通过对该材料特性进行检测发现，该材料屈服强度为1000MPa、抗拉强度为1180，对钢材料进行拉伸实验，测定钢材料工程应力，在高强度汽车运行过程中，如果将钢结构所受应力转换为真实应力，其钢材料的杨氏模量为210000MPa，延伸率为14%[1]。

2. 高强度汽车大梁钢结构工艺

在对高强度汽车大梁钢结构进行减重分析前，对汽车大梁钢结构改造工艺与技术进行探究，分析钢结构改造思路，确保后续仿真分析模型能够对改造后的大梁钢结构进行精准地结构减重分析，探究改造工艺的减重效果。

2.1成分设计

大梁钢在高强度汽车中用于承载汽车车架，其能够保证车辆纵梁与横梁之间的平衡，根据汽车承重的要求，汽车大梁钢结构需要具备充足的抗拉强度以及屈服度，以满足高强度汽车运行需要。在汽车运行期间，作为承载汽车的横梁和纵梁会在冲压或滚压作用下出现变形的情况，因此为了减少梁体的变形，在对 梁体进行改造时，对整个梁体进行延伸以及冷弯处理，以便梁体能够抵御外界冲压力[2]。另外，在载重汽车行驶过程中，考虑路面颠簸对车辆的影响，大梁钢在制造时，疲劳强度必须要满足车辆结构的建设要求。且作为制造大梁钢体的零部件，其残余应力应当满足车辆运行需要。为了保证高强度汽车使用性能，在制造期间，将钢板碳含量控制在0.08%左右，减少钢材内部珠光体量，使钢材能够冷凝成型，并对钢板进行控轧控冷，最大程度上提升钢板强度（如图1）。

图1汽车钢结构

2.2氧化铁皮

在汽车钢结构中含有Si元素，扩散性较强，尤其在长时间的加热过程中，在钢材料表面会形成铁橄榄石，而当外部环境温度低于1100℃时，其内部的 Si元素将会以液态形式出现，氧化速度提升。而在高温作用下，钢板结构中的Si会析出FeO，介于钢板结构中密实层与疏松层之间，为此鉴于钢板材质特性，需要在制造钢结构时，去除钢板表面形成的氧化铁皮，应用除磷工艺去除二次氧化铁皮，并在对钢板进行卷取时，应用抑制共析反应工艺，促进卷取过程中铁氧化反应，以免钢板结构发生变化。

2.3残余应力

残余应力在没有任何荷载作用下，其存在于构件内部且能够维持整个构件的平衡，但是如果残余应力过大，影响到汽车大梁钢结构的性能，则在对汽车钢板进行裁剪时，钢板就会出现变形的情况，致使钢板出现结构缺陷。因此，在改造汽车大梁时，未免钢板出现严重变形，通过控制钢板中的化学成分，应用热轧工艺，稳定钢材的力学性能，并适当加大钢板中间坯厚度，保证温度在钢板表面均匀分布。在对钢板卷取阶段，应用保温抗冷工艺，让处于高温状态的钢板逐渐冷却下来，以免在制作钢结构时，钢板内部残余应力分布不均。另外，在对钢板进行卷取过程中，采用矫直机组在钢板接缝间合理设定精矫辊缝，以消除钢板原始卷曲率，确保残余应力在钢板表面均匀分布[3]。

2.4负荷分配

高强度汽车总压下率较高，其需要在改造过程中应用二级控制系统，控制大梁钢结构负荷均匀分配。如果汽车大梁钢板厚度超过3mm，则汽车机架在应用期间就会出现压下量、轧制力增大的情况。针对高强度汽车上述问题，在进行改造过程中，在保证车辆总压率的前提下，降低钢板中间坯厚度（如图2），且将汽车机架总压下率降低至50%，并按照从上游机架向下游机架的顺序逐步分配机架的压下负荷，以实现对钢板变形的控制，确保大梁钢结构负荷均匀分配。

图2钢板和挡板

3. 高强度汽车大梁钢结构减重分析

通过上述对汽车大梁钢材料特性以及结构改造的分析，现就高强度汽车大梁钢结构改造后的减重情况进行模拟，通过构建高强度汽车的有限元模型，对汽车大梁钢结构的刚度以及强度进行探究，测定汽车结构减重结果。

3.1前期处理

首先，建立该汽车大梁的三维模型，确保大梁钢结构减重结构分析的准确度。大梁钢结构模型与大梁真实部件比值为1:1，为了保证大梁钢结构模型建设准确性，应用Hypermesh软件对大梁钢结构进行几何处理和划分，整个模型可看作为标准尺寸的16mm*16mm的网格单元，每个网格单元中的网格数量为106944个，大梁钢板厚度为10mm，加强板厚度为5mm。其次，在进行大梁强度仿真分析前，设定本次高强度汽车车载量为30t，将汽车载重量作为耦合模型参数，以模拟汽车大梁钢的不同承载状态。最后，在进行模型设计时，模拟汽车行驶状态下的极端工况，在车辆大梁钢架上设置5个约束点，模拟汽车大梁钢架的支撑作用，并在第一个约束点约束1方向自由度。

3.2强度分析

在Hypermesh软件中输入汽车参数值，导出汽车大梁的有限元模型，对模型中的有限元公式进行求解，然后将所得的求解结果再导入到Hypermesh软件中得出汽车大梁钢结构的仿真结果。汽车在不同约束条件下，大梁钢的强度存在一定差异，在大梁钢受到承载应力时会出现弹性变形，根据对大梁钢结构应力测定发现，钢结构应力小于屈服强度，由此可知经改造后的车辆大梁钢架构处于安全使用范围。在进行模型分析中，通过对汽车大梁钢的减重处理，将大梁钢板厚度减少0.15mm，总体钢板质量减轻65kg，然后重新对大梁强度进行测定，发现变薄的大梁钢板最大受力位置出现变化，在模型中显示钢板最大受力位置位于模型下侧，总承受应力为846.3MPa，但是其应力仍未达到钢板的屈服强度，虽然能够满足高强度汽车的运行需要，但是结构仍需要进一步减重。

3.3刚度分析

在对汽车大梁钢结构进行改造后，为了进一步验证改造后的大梁减重程度。在第一个约束点1方向自由度，模拟改造后的大梁部件刚度以及杨氏模量。模拟结果显示，改造后的汽车大梁杨氏模量未发生变化，但是大梁强度却存在一定差异。在汽车大梁减重后，其受力方向与位移曲线发生变化，在原有受力加载点位置，大梁受力向约束点位置偏移约0.5mm。通过对模型的在线性计算，结构刚度与位移间比值不变，但是在汽车结构改造后，位移变化缩小至3mm范围内，处于车辆结构减重的安全范围之内。

结语：总而言之，在高强度汽车行驶极限工况下，对于汽车大梁钢就结构进行仿真模拟，通过对钢结构的强度以及刚度进行模拟分析发现，在大梁钢板变薄后，车辆结构质量减少，但是结构屈服强度与抗拉强度明显提升，整体力学性能水平达到了高强度汽车改造要求。在本次对车辆进行有限元模拟分析过程中，通过对车辆减重后钢板结构分析，发现大梁钢在减重后位移得到明显控制，处于安全范围内，并且汽车大梁钢材料成分稳定，应力分布均匀，采用该种车辆结构改造方案，能够有助于车辆改造的推广，确保车辆各项指标达到领先水平，推动了高强度汽车大梁钢结构改造的发展。

参考文献：

[1]宋博,郭晶,孙倬. 基于高强度汽车大梁钢的结构减重优化 [J/OL]. 金属世界, 1-5[2024-04-26].

[2]许东方,苏宇,叶步永. 15万吨级穿梭油船结构减重设计与EEDI影响评估 [J]. 造船技术, 2023, 51 (06): 12-16.

[5]杨泽南,陈伟,Minking K Chyu,等. 网格阵列填充冷却通道内超临界正癸烷流动传热特性的数值研究 [J]. 推进技术, 2022, 43 (06): 250-259.