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的正向设计,轻量化技能获得突破

日期:2019-09-28编辑作者:科技之门

以“创新驱动·全面振兴”为主题的第十九届中国科协年会于6月24日至25日在长春国际会展中心召开。中国科学院宁波材料技术与工程研究所与吉利集团共同研发的首台正向设计的碳纤维复合材料电动汽车G10-F应邀参加本次展会。

7月12日-13日,“2018中国汽车轻量化产业高峰论坛”在上海隆重举行,论坛以“新技术、新材料、新工艺“为主题,旨在降低汽车自身重量同时提高输出功率、降低噪声、提升操控性和安全性,并对汽车轻量化政策趋势发展、整车轻量化平台化设计方案、关键零部件轻量化技术开发及汽车轻量化多材料应用及成本控制分析等问题展开探讨。

作为汽车产业的重要发展方向之一,国内外各大汽车企业从未停止过对轻量化技术的开发和应用。BMW i3作为第一款进入量产的碳纤维车身设计的车辆,成为碳纤维应用于汽车的里程碑项目。但由于目前碳纤维复合材料成本较高,一直没有实现大规模的推广应用。日前,中国首款铝制车身的新能源车型——奇瑞小蚂蚁的上市带来了全新的汽车轻量化生产思路及理念,再一次引发了业内对电动汽车轻量化技术的高度关注。由于通过超级轻量化技术平台打造的“全铝空间架构+全复合材料外覆盖件”,使整车重量比传统车减少了30%到40%,在当前碳纤维复合材料成本居高不下的情况下,给我国电动汽车轻量化的发展开辟了新的途径。

宁波材料所联合吉利集团共同研发的该款新型EV车型,是基于碳纤维复合材料特性进行了全新的整车设计,实现从零部件到整车正向设计研发的跨越。车身由36个碳纤维复合材料零部件组成,与传统钢材车身相比,车身减重30%以上,整车减重20%,续航里程150公里,0-50公里的加速时间为4.9s。此次展出,受到与会领导、专家和代表们的高度赞扬和认可。

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目前,国内外在轻量化材料、整车设计、制造工艺等方面的研究和应用已取得突破性进展。然而,轻量化技术颠覆了传统汽车的制造工艺,带来整个产业的变革,使行业的发展仍面临一系列新问题,如轻量化评价及测试标准尚未完善、产业间缺乏融合、新型材料成本较高、固有开发模式尚未突破等。因此,亟需企业调整思路,面临行业变革所带来的挑战。

经过多年的发展,宁波材料所在汽车工业用碳纤维复合材料领域已建立了从基础研究、重大共性关键技术攻关到应用示范贯穿的技术集成创新链,引领新能源汽车轻量化技术发展方向,在汽车工业领域产生了重要影响,形成了支撑我国轻量化新能源汽车产业创新发展的先发优势,抢占了技术制高点。

北汽股份研究院副院长、总工程师曹渡

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北汽股份研究院副院长、总工程师曹渡进行了“汽车轻量化多材料及工艺应用设计分析综述”的主题演讲,曹渡认为:

电动汽车轻量化技术取得突破性进展

1、整车轻量化是一发而动全身的正向设计,是各个系统整体的减重而不是某个零部件的减重。

实现汽车轻量化的主要途径有三种:一是使用轻量化材料;二是优化结构设计;三是采用先进的制造工艺。国内外车企纷纷从这几方面入手,推动电动汽车轻量化发展,并取得了一定成绩。

2、轻量化实际上是整车的正向设计,而我国自主品牌现在的产品研发水平仍然处在逆向或者半逆向的水平,制约了整个轻量化的发展。

  1. 应用碳纤维复合材料减重显著

3、到2025年,铝合金应用以及复合材料的应用会大幅度增加。且在今后10-15年之间,汽车材料工业将迎来大的革命,普通钢、高强钢、聚合物、铝合金、镁等材料的用量将平分秋色。

高强度钢和铝合金都可以在一定程度上实现车身减重,而汽车用工程塑料和复合材料则对车体的减重最为明显,由此成为汽车轻量化的首选用材。发达国家已将汽车用塑料量的多少作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志。2015年,我国车用塑料的用量已经达到1046万吨,而且呈逐年上升的趋势。

4、模压是未来的方向,适合于小批量生产,特别是年产1~1.5万辆的新能源车企。

复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点。在复合材料中,碳纤维复合材料的应用一直备受瞩目。选用碳纤维增强复合材料制作结构件、覆盖件,可减轻质量达30%左右,对于比燃油车更需要轻量化的新能源汽车,碳纤维增强复合材料有更大的应用潜力,在未来汽车轻量化中将会起到举足轻重的作用。宝马i3在碳纤维复合材料的应用方面取得了令人瞩目的成绩,是第一款实现量产的采用碳纤维车身设计的车辆,其整备质量仅为1224kg,比设计之初减轻了250-350kg,很大程度上弥补了电池增加的重量。

以下是嘉宾演讲实录:

  1. 全新制造工艺减少零部件数量

曹渡:各位同事大家早上好!今天跟大家汇报一下汽车轻量化多材料多工艺应用设计的分析,把各种技术方案和材料做一个对比,来看看我们怎么选材,在产品开发中怎么应用。

碳纤维的应用将会带来一场革命,其原因在于碳纤维在汽车上的应用改变了传统汽车的设计思想、开发流程及制造工艺。碳纤维材料是可设计的,其零件工艺是多样化的,未来碳纤维应用于汽车没有标准化的材料,整个车和零件的开发过程就是材料开发过程,也是工艺开发过程。

首先是综述,重要性讲了好多年了,这个不用说了。过去整车产品开发就是质量、节点、成本三大目标,这几年增加了一个目标叫轻量化指标,实际上轻量化指标对整车开发而言是一个挑战,为什么这么说呢?首先,汽车轻量化现在仅仅停留在零部件减重的低级别水平,这显然太过肤浅;第二,面对众多新技术、新材料,主机厂不知道该如何选材用材;第三,新能源汽车的特点以及轻量化工艺材料的变化趋势也是一大问题,稍后会向大家做汇报。

铝型材的三维弯曲、钢铝焊接以及碳纤维零件的成型是目前面临的全新工艺。采用新工艺可大大减少零部件使用数量,实现轻量化目标。其中,碳纤维总成的方式已取得突破性进展。在兰博基尼Sesto Elemento的项目中,将前围、地板、后围集成为一个整体式座舱,取代了传统结构的48个零件,把零件分为4—6大片,成型之后直接粘接,工艺简单,减重效果突出。整备质量在加注燃料和其它液体之前只有960 公斤。

这三年我都把这个例子拿出来说,这个例子说明汽车轻量化不是一个简单的零部件减重,而是顶层正向设计,为什么这么说呢?这个案例从一开始就讲要减重140公斤,你会看到它的纵梁结构大幅度缩减,减重之后载荷和动能见效了,前舱通过结构优化千疮百孔,都是因为这个减重做的,另外整个制动系统也是缩小了。还有一个有趣的,油箱也减了8L,8L油加上材料也就8、9公斤,所有这些归到140公斤里面去,我们看到整车轻量化是一发而动全身的正向设计,是各个系统整体的减重而不是某个零部件的减重,这才是问题的关键。这样的话带来的优点是什么呢?我们看到一开始减重综合油耗降低了1.2L,大家很难想象,130公斤减重油耗顶多降0.3、0.4,怎么会降到1.2L呢。减重以后发动机排量减少了,用了更好优化的1.5DGI,变了发动机排量以后,对发动机汽车动力系统进行重新匹配,这个匹配又降了0.4L,合起来能够让整车减1.2L油的综合效果。

  1. 结构优化提高材料利用率

综合起来看,整车的研发减重绝对不是简单的零部件减重,而是整体正向设计的开发。我这两年一直在提这个事,我们国家政府做的轻量化技术路线仍然停滞在零部件轻量化技术路线的水平,并没有一个完整的轻量化技术路线来谈整车的轻量化开发,整体一发而动全身的轻量化技术是没有的。所以希望我们的政府、国家能够在这方面做一些改善。

汽车车身结构轻量化采用结构优化设计方法,可以在保证车身结构性能要求的前提下,提高材料的利用率,减少冗余的材料,而达到车身结构轻量化的目的,结构优化主要包括尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。

材料方面,刚刚徐徐总监提到了2005-2015年,现在我讲2015-2025年甚至到2035年材料的变化。这是北美的,我们看到在2025年的时候,预测铝合金应用以及复合材料的应用会大幅度的增加。这个是2015年底我去德国的时候,德国政府委托德国工程师协会做的汽车轻量化盘点的报告,他们把20年后的预测都已经做出来了,有一定的参考意义。可以看到,在今后的10-15年之间,到2035年汽车的材料、用量将是平分秋色,换句话说,普通钢、高强钢、聚合物、铝合金、镁都是20%的应用了,这就是汽车材料工业的大革命。

拓扑优化作为结构优化的一种,不同于车辆构件的尺寸优化和形状优化,是对布局和节点联接关系进行优化,使结构的某种性能指标达到最优化。汽车厂在新车开发时,公司决策层会给出一个整车定义,包括车多大多重,涉及到成本控制,同时希望车达到什么性能。拓扑优化能够在给定设计空间,给定设计重量、设计性能的约束下,迅速得到一个布局和节点联接基本判断,为设计人员提供结构质量最轻、性能最优的力学传递路径方案。

我们首先要搞清楚轻量化的定义,如果定义不搞清楚工作很难做。汽车轻量化联盟是从德国来的定义,这个定义是我针对汽车的研发自己写的,我觉得有了这个定义才能更加明确我们的设计目标,有了定义我们才知道轻量化的内容,通常来说就注意到了这三个内容,材料的轻量化、结构优化、工艺轻量化,大部分人都是注意到轻量化的这个,按照轻量化的定义是不够的,比如说模块化设计也是轻量化的一种,是符合轻量化定义的。还有就是装配轻量化设计,比方说激光拼焊,把不同密度钢度聚集在一起做轻量化设计,都是很好的。其实我们做的最不好的是这一点,性能目标轻量化,刚才提到底盘,自主品牌现在实际上还处在一种逆向和半逆向的水平,目前还没有谁敢说减了150公斤就敢把底盘的纵梁随意更改的,改改车身,改改内外饰没有问题,要改底盘这种安全件我们还没有这个水平。原因是因为我们对性能目标的制定逆向,制约了整车轻量化的水平。我们都是搞轻量化的,一定要知道国家的水平差距在哪里,轻量化实际上是一个整车正向设计,而我们现在的产品研发水平仍然处在逆向或者半逆向的水平,制约了整个轻量化的发展。

目前,湖南大学已经用拓扑优化的办法对电动汽车的骨架进行优化。基于拓扑优化方法的轻量化策略相比常规轻量化方法可节约30天左右的开发时间、多减重22.4kg,同时还可以不同程度的提升整车性能。拓扑优化的方法已在电动汽车全铝车身的轻量化上已经实现了成功的探索。湖南大学研制的第二代样车实现了比第一代纯电动汽车整备质量减重18.5%,白车身骨架质量由120kg减为90kg,减超过20%,实现了通过车身减重来降低电池成本的目标。此外,湖南大学利用拓扑优化的方法通过五轮迭代,将电池包的结构和整车结构结合在一起,可将电池直接装在车体本身。

轻量化材料无非是这些,这些材料涉及到了一些工艺,今天来了很多供应商是搞这方面的工艺的。我们说一说优缺点,我说的不一定准,可以会后讨论。首先是高强钢是轻量化技术里面主要的材料和工艺,就是冷冲,我们看到成本优势、效率优势等等实际上固定资产投入也是相当高的,最大的特点就是效率高,月产量达到2万、1万的时候我们可以就要优先考虑这个,缺点就是一次性固定资产投入大,精度有点困难,超过500兆帕,尤其到了800-1000兆帕就不能控制了。我们应用了热成形技术,这个优点和缺点是什么?精度和复杂程度大幅度提升,但是成本也是大幅度提升,其实技术不难,但是真正做这个的不是太多。我们可以把这些技术用在关键的冲击载荷,跟碰撞相关的结构件上面。

电动汽车的轻量化不能仅仅追求材料、制造工艺或结构设计的某一方面,而是需要三者互相结合、互相制约,需要根据实际情况平衡各方面的关系,以便最大程度的实现车辆的轻量化。如奇瑞新能源汽车eQ1在产品设计上,采用了更加适应电动车的全新的架构设计、平台化的整车及系统设计以及高安全性设计。生产工艺及制造方面将传统的汽车制造四大工艺过程简化为焊接和总装并大量采用了线下分装和模块化供货,缩短了流水线的长度。创造性的提出了全铝骨架车身平台的共享理念。

但是,当结构件要求软硬不一样时,我们就要采取软区热成形,二者工艺上是一样的,只是在模具上采用不同的冷却时间。优缺点跟刚才热成形钢是一样的,这个模具要求更高、技术难度也更高,且供应商也相对少一些。辊压成形技术成熟度可以,等截面的地方我们可以有很多的应用。下一个是激光拼焊,装配轻量化,它本身并不轻量化,我们看到零部件减重并不明显,自主品牌用的比较少,当有软硬钢不同配合、不同强度要求的时候,确实可以用这个工艺手段取代软区热成形。差厚板技术,这个也是在一开始轧制的时候可以控制不同厚度,可以替代激光拼焊,这个技术有一定难度。还有一个是液压成形技术,这个成本相对比较低,精度很高,但是生产效率相对低,主要用在一些管梁或者等截面上,这个是轻量化技术里面很好的技术,但是应用并不是很广泛。

我国电动汽车轻量化道路仍面临阻碍

铝合金成形技术跟高强钢的成形技术相似,我们还有很多专家属于压铸,我们也说一下压铸技术,三年前我们在做国家项目的时候找不到高压铸铝的三毫米减震塔,在中国做这个的企业有的,但是不多,三毫米厚技术有一定难度,但是减重是比较明显的。锻压成型技术是成熟的,可以应用在除了轮毂以外的地方。还有挤压成型,这些工艺都有类似之处,怎么样选用需要跟供应商合作探讨,用刚才说到的轻量化定义,将最轻的材料,用最少的成本、用在最合适的地方。

我国轻量化技术的发展起步较晚,缺乏经验,与国外先进水平有较大差距,发展电动汽车轻量化仍面临阻碍。

另外就是复合材料,以注塑为切入点,可以看到注塑有很多优点,也很成熟,但是成本相对高而生产效率相对低,注塑可以做很多的零部件,注塑的强度不可以跟高强钢和普通钢相提并论。模压将成为以后发展的趋势,模压的主要优势就是成本优势,毕竟是批量化生产,要考虑成本和生产效率,一般来说一万台以下的用模压可以取代的,固定资产的投入相对注塑模式要低很多,这个会是将来的发展趋势。另外还有一个新技术,最近几年兴起的热压注塑,欧洲已经在做,现在最成功的案例已经用到批量的就是最近上市的福特蒙迪欧的门模块。

  1. 轻量化技术标准体系缺失,发展目标尚不明确

关于门和车身的典型趋势,这个是典型的门,我们关注的就是框架、结构,门的结构是用普通钢加高强钢骨架才能撑起其高度和强度,这是典型传统门的结构形式,外门皮也是钢的。看看轻量化其他的结构形式,首先是铝合金,整个结构形式跟钢材的传统门是类似的。

目前,我国还没有完整的汽车塑料零部件技术和产品标准,包括技术方面的测试标准以及轻量化技术的完整评价系统尚未完善,需要经过大量的数据积累来形成指导行业的统一标准。

另外车身方面,典型的是铝合金的车身,最成功的其实是F150,它减了318公斤,成本增加了1500块,相当于每公斤30块。另外一个典型的车身案例就是全碳纤维,宝马i3用了50%的碳纤维,宝马i8用了60%的碳纤维,这都是一种尝试。

从国际上看,美、日、欧都有轻量化明确的发展指标和路线。以美国整车轻量化的发展目标为例:2020年要在2013年的基础上降重20%,2025年降重30%,该目标还对整个组成系统各部分的减重指标提出了要求,要求整个车身系统减重35%,底盘减重25%,动力总承减重15%。说明该目标非常细致的研究了轻量化实现的路径,对我国汽车轻量化相关标准的制定有一定的借鉴作用。

最后来看一看它的趋势和发展,铝合金以福特F150来说是已经成熟了,但是不是趋势呢?不一定,我们看看奥迪A8,从第二代的时候全铝到第三代改为8%的钢,到最近两年第四代的奥迪A8用了40%的钢材,主要是出于碰撞和安全性、整车刚性、成本。当今无论从成本还是强度,高强钢的应用都是当今趋势。宝马7系白车身上把三种材料用到一起,包含4种不同的碳纤维成型技术,三种不同的铝合金技术,白车身虽然减重只有40公斤,但是整车减了130公斤,成功之处就是均衡减重。今后的发展趋势一定是一个多材料集成设计应用的趋势。

  1. 产业融合缺乏,产业链尚未建立

再来讲讲新能源汽车的特点,2017年新能源汽车累计销量70多万辆,有多少新能源公司? 3000万辆的主机厂我估计可以数得过来,但是70万辆的新能源公司数不过来,强大的市场竞争力导致每家企业的量不会太大,产量不大的时候会导致工艺和技术设计以及材料和工艺选择的变化,这就是新能源汽车一大特点,供应商应该以此切入进去。我认为模压是未来的方向,适合于年产1~1.5万辆以下的车企。

轻量化技术需要运用多学科交叉融合所形成的的综合性、系统性知识,实现跨产业协同,但我国汽车企业与材料企业的融合仍十分缺乏。目前,国外主要车企均与材料企业形成紧密的战略合作关系,跨国公司也已形成“碳纤维复合材料+零部件供应商+主机厂”的产业化布局。

另外新能源汽车还有一个很重要的指标增加里程,轻量化是可以对冲成本,车辆减重后电池模组可以减少,用电池模组减少的成本来对冲轻量化增加的成本,所以说高端的轻量化,复合材料比较昂贵的轻量化方案应该在新能源汽车上实施。

碳纤维和新能源汽车的融合将带来新一轮的革命,如果自主品牌不提早进行布局很可能在这一轮新的革命中被甩开。各跨国汽车集团的材料标准和制品性能标准自成体系,国内供应商实质上很难进入跨国汽车集团的供应链。目前,铝合金、碳纤维等材料供应链在国内也较为稀缺。对于汽车轻量化而言,加快建立起涉及“先进材料研发-原材料生产-零部件制造-整车集成应用-回收再利用”等全产业链的需求迫在眉睫。

轻量化和成本关系的模型在哪里?过去我们做成本轻量化的时候是减成本的,但是减到这个点的时候就要增加了。我们做的车一般都是在这个区间,高端车可能做到这个区间,轻量化做到一定程度是有成本增加的,要通过成本模型对比,如轻量化跟里程数、油价、附加费用等的关系。在零部件做出来以后,每公斤零部件成本的对比,你就知道各种工艺涉及到的材料决定我们用哪些工艺技术。

  1. 材料和加工成本高,新型材料应用有限

最后总结起来,高强钢一定是接下来3-5年的发展趋势,铝合金也在不断推广应用,碳纤维一定是在新能源汽车领域应用,新材料必然拉动一些新的企业……汽车未来的发展一定是设计多材料的混合搭配使用。

目前车用轻量化新材料的成本普遍都偏高,国内每吨铝合金的材料成本达4.5万左右,碳纤维的材料成本则每吨高达80万左右,让很多中低端车型在碳纤维的使用上望而却步。此外,材料的加工成本控制难度大,特别是碳纤维复合材料,由于目前国内技术尚未达到一定水平,加工效率低,导致成本进一步增加。对于企业来说,采用新型轻量化材料意味着传统生产设备的改造,四大工艺中冲压、焊接、涂装生产线基本都需要面临着大幅改造或者重建,需要投入大量人力及财力,增加了轻量化材料的推广难度。

多材料的的搭配设计符合轻量化的定义,最大限度利用各种材料的性能优势达到减重和成本优化的目的是必然趋势,昂贵的轻量化材料首先应该在新能源汽车应用,轻量化对我们主机厂一个正向设计的挑战,我们需要与供应商展开密切合作,发挥各自的特点和优势,突破科学和技术革命,及时跟进创新,实现双赢的共同发展。

  1. 固有开发思维难突破

敬请关注盖世汽车“2018中国汽车轻量化产业高峰论坛”直播专题:

汽车轻量化给国内汽车企业带来四大方面的挑战:产品结构创新、新材料应用、新工艺的创新以及整个开发流程的变革。特别是碳纤维的应用改变了传统汽车的设计,开发流程、设计思想以及制造工艺。在实践过程中,大多数企业难以突破固有思维模式,甚至以钣金车体的思维来套用碳纤维的应用。此外,轻量化要求更多的创新思维,例如传统的副车驾有八到十个零件,如果将包边儿的概念用到副车驾上,零件数量则大大减少,焊接越少则强度越高。这不仅是新工艺的问题,而需要通过工艺创新的思维来解决。

PC:

  1. 人才短缺,技术研发能力不足

移动:

轻量化技术的发展需要既懂材料又懂汽车的跨学科人才,目前由于缺乏交叉学科人才,材料、工艺、整车厂之间互不了解,厂商与科研团队之间沟通不畅,产、学、研结合程度不紧密,没有合理分工,基础性研究和技术开发研究有机衔接不够,严重阻碍了轻量化进程。

对我国发展电动汽车轻量化的建议

1.建立标准体系

零部件生产技术及产品标准的缺失会导致企业没有明确的研发、生产目标及规范,不利于行业持久健康的发展。目前应尽快建立我国自身的材料认证体系,进行材料的性能检测、应用验证、技术稳定性与安全可靠性评价等。

2.加强各领域结合,尽快建立产业链

轻量化技术的发展应是各相关领域相互协调、相互配合,要鼓励产业链上下游合作,组建产业联盟,支持汽车工业与国内材料行业之间深入交流,实现强强联合,让一部分性能稳定、品质过硬的国产材料优先进入汽车产业链。

  1. 调整固有模式,广泛利用资源

汽车电动化颠覆了传统内燃机,而轻量化则又颠覆了整个车身,由此带来设计、工艺、装备的变革,原有的技术存量将逐渐被淘汰。企业当前应直面科技革命和产业重构带来的影响,调整生产平台及开发模式,利用广泛的国际资源来实现目标,建立新兴组织结构模式。在新的变革中,原料供应商将变成部件供应商,随之而来的还有回收再利用的问题,以及零部件成本降低带来的整车厂建设投资等一系列的改变。

  1. 培养跨行业人才,提高创新意识

目前我国汽车轻量化领域跨学科人才缺乏,导致技术研发能力薄弱,应加强跨学科人才的培养,建立“外培项目”,提前储备交叉学科人才。此外,面对产业的变革,研发人员需突破旧有的思维模式和研发思路,提高创新意识,以适应产业变革的需要。

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