蓄電池純電動(dòng)車因使用大而重的蓄電池組和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用的車身方案通常有別于內(nèi)燃機(jī)汽車的車身結(jié)構(gòu)型式，其中輕型結(jié)構(gòu)和碰撞安全的重要性不言而喻。在大眾集團(tuán)研究中心的用于未來電動(dòng)車輕型化結(jié)構(gòu)研究項(xiàng)目遵循實(shí)現(xiàn)功能和負(fù)荷路徑的材料使用策略，使該款新型車身結(jié)構(gòu)可投入量產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車 車身結(jié)構(gòu) 組合材料

1可投入量產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性輕型結(jié)構(gòu)

在歐盟要求下，可用于未來電動(dòng)車的具有大承載能力的新型輕量化結(jié)構(gòu)（Alive）研究項(xiàng)目框架下，已開發(fā)和創(chuàng)建了一種用于蓄電池純電動(dòng)車的方案。該項(xiàng)目的目標(biāo)首先是使白車身、車門、蓋板、底盤和內(nèi)飾部件（座位）的質(zhì)量減輕30%～40%，并將設(shè)計(jì)的方案投入量產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，在有限元法（FEM）計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)出了各種不同的輕量化材料和模擬方法，并測試了該類材料的特性值,制定了接合技術(shù)方案，同時(shí)進(jìn)行了耐久循環(huán)分析。在該項(xiàng)目中，為了在真實(shí)的車輛碰撞試驗(yàn)中驗(yàn)證碰撞模擬計(jì)算所得到的結(jié)果，對(duì)示范性車身的制造提出了特殊的挑戰(zhàn)。Alive項(xiàng)目分別進(jìn)行了正面、樁柱和尾部的碰撞試驗(yàn)。

從2012年10月至2016年9月，該項(xiàng)目共有23家歐洲合作單位參與研究和開發(fā)，其中包括7家OEM制造商、7家零部件制造商和5家研究機(jī)構(gòu)。

為了未來新一代車輛特別是電動(dòng)車開發(fā)先進(jìn)的車輛結(jié)構(gòu)和采用新型材料，Alive項(xiàng)目有許多需團(tuán)隊(duì)配合的部分。同時(shí)，需進(jìn)行團(tuán)隊(duì)配合的項(xiàng)目建立在已成功完成的先進(jìn)電動(dòng)車結(jié)構(gòu)（Elva）項(xiàng)目、超輕車輛（SLC）項(xiàng)目和安全的新型蓄電池集成項(xiàng)目基礎(chǔ)之上。

2車身結(jié)構(gòu)方案

為實(shí)現(xiàn)上述減輕質(zhì)量的目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)共同合作開發(fā)了多種材料組合方案，運(yùn)用各種不同的鋁合金、高強(qiáng)度鋼和纖維復(fù)合材料的組合形成了一種新型的車身方案（圖1）。由高強(qiáng)度擠壓鋁型材和強(qiáng)度高達(dá)1 800 MPa的高強(qiáng)度鋼作為主要的承載材質(zhì)。在白車身上的鋁合金質(zhì)量分配約占65%,頂蓋和行李艙蓋由纖維加強(qiáng)塑料（FVK）與金屬加強(qiáng)元件組成，而集成在車身上的蓄電池盒及其附帶的蓄電池罩蓋則是另一個(gè)開發(fā)重點(diǎn)。相比于目前的技術(shù)水平，在汽車制造過程中各種各樣重要的鋁合金組件能使其質(zhì)量能減輕44%。同時(shí)，對(duì)正面碰撞情況下的負(fù)荷導(dǎo)向設(shè)計(jì)也提出了特殊的挑戰(zhàn)，由可變形的電機(jī)鋁托架通過強(qiáng)度為1 800 MPa的鋼制縱梁與橫梁來實(shí)現(xiàn)的。不僅如此，對(duì)側(cè)面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也需重視，以防止側(cè)面碰撞時(shí)損壞蓄電池。

圖1 Alive車身方案的材料分布狀況

3結(jié)合技術(shù)

Alive項(xiàng)目中的接合技術(shù)致力于采用盡可能少和低成本的接合工藝方法將方案投入量產(chǎn)，這在組合材料結(jié)構(gòu)接合領(lǐng)域中是一個(gè)非常高的要求。首先考慮到每一種材料組合存在多種接合技術(shù)，需要針對(duì)量產(chǎn)的可能性、備用工藝方法以及包括各自所需的邊界條件和工藝限制為車身方案確定一種經(jīng)過優(yōu)化的工藝方法。表1示出了各種不同材料組合的技術(shù)選擇。

表1 各種不同材料組合材的接合技術(shù)選擇

為了根據(jù)車身方案和接合技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)備工作，車輛設(shè)計(jì)過程需預(yù)先進(jìn)行接合技術(shù)的規(guī)劃。裝配順序取決于A柱和前圍板范圍所選擇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，而鋁制前圍板與A柱熱成形鋼之間接合的可裝配性可謂是一大挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題，前車范圍的裝配與A柱內(nèi)側(cè)和前圍板同時(shí)進(jìn)行，之后該結(jié)構(gòu)模塊與中間底座和后直梁接合，緊接著由地板構(gòu)件、車后部框架和車頂框架將車身閉合，然后再添加外部構(gòu)件B柱和前車構(gòu)件，最后裝配外部表層構(gòu)件。圖2示出了Alive車身的裝配順序。

圖2 Alive白車身裝配順序

從項(xiàng)目開始就制定了材料的模擬方法,以便在車身剛度、抗碰撞強(qiáng)度和使用強(qiáng)度計(jì)算方面達(dá)到較高的預(yù)測精度。因此對(duì)接合特性的關(guān)注度較高，為此選擇了處于高負(fù)荷區(qū)域的接合技術(shù)。在該工作框架下，由合作企業(yè)雷諾、大眾和本特勒公司制作了運(yùn)用屈服螺栓、鋁點(diǎn)焊、惰性氣體（MIG）保護(hù)焊、電阻元件焊接和結(jié)構(gòu)粘接等接合技術(shù)的連接試驗(yàn)樣品。為此,必須首先確定各自的工藝參數(shù)，以便能進(jìn)行剛度、抗疲勞強(qiáng)度和抗碰撞強(qiáng)度等方面的試驗(yàn)。除此之外，比利時(shí)KU Leuvendas公司、德國達(dá)姆施塔特市Fraunhofer LBF公司和法國雷諾公司都參與了特性試驗(yàn)。圖3作為實(shí)例示出了各種不同接合技術(shù)和拉力剪切負(fù)荷的力-變形曲線。另外，還補(bǔ)充進(jìn)行了故障失效狀況的分析。這些結(jié)果成為該接合方法是否適合于高負(fù)荷區(qū)域的評(píng)判基礎(chǔ)，并用于建立模擬替代模型的數(shù)據(jù)。

圖3 各種不同接合方式拉力剪切試驗(yàn)的力-變形曲線的比較

通過FEM及其數(shù)據(jù)的虛擬接合替代模型的建立來輔助汽車車身接合方式的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。此類工作主要是由雷諾公司和Volvo公司各自采用兩種不同的替代模型建模方式（體積元和聚合區(qū)元）進(jìn)行。

混合接合結(jié)構(gòu)要求特別關(guān)注其承載路徑范圍，例如鋁橫梁旁的用熱浸鍍鋅鋼板（phs-ultraform*1800）制成的前端縱梁的接合，鋁橫梁和車頂鋁縱梁旁采用相同鋼材制成的B柱的接合。對(duì)于這些承載范圍的接合方法優(yōu)先應(yīng)用于單側(cè)接觸的屈服螺栓連接和用于兩側(cè)接觸的電阻元件焊接,并各自與結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑相組合。這兩種接合方法的特點(diǎn)是具有較高的強(qiáng)度特性值和較好的經(jīng)濟(jì)性。

圖4對(duì)比了兩種實(shí)現(xiàn)混合接合結(jié)構(gòu)的工藝方法，以及由試驗(yàn)和試樣模擬計(jì)算得到的剪切負(fù)荷和常規(guī)負(fù)荷下的最大強(qiáng)度。

圖4 phs-ultra 1800與EN AW6082-T6材料

組合從試驗(yàn)和模擬計(jì)算得到的強(qiáng)度比較

總的來說，在試樣層面上，力-變形特性試驗(yàn)和模擬計(jì)算之間達(dá)到了較好的一致性。不僅如此，這些模型還能用于接合范圍的承載路徑優(yōu)化和設(shè)計(jì)調(diào)整。在Alive項(xiàng)目框架下，該工作不僅可成功地應(yīng)用于屈服螺栓連接、電阻元件焊接和粘接工藝方法，而且也成功應(yīng)用于鋁材的電阻點(diǎn)焊和電弧焊接。

另外，為了使現(xiàn)有的接合技術(shù)適應(yīng)相關(guān)車身方案，在Alive項(xiàng)目框架下又進(jìn)行了新的開發(fā)。一方面開發(fā)了用于冷成形鍍鋅鋼板與鋁材點(diǎn)狀接合的工藝方法，而且也開發(fā)了可用于底盤不同部件的相關(guān)材料的鑄造工藝接合方法，本文對(duì)此不再贅述，可參閱相應(yīng)的參考文獻(xiàn)。

4整車層面上的模擬調(diào)整

為了檢驗(yàn)?zāi)M設(shè)計(jì)方案，在該項(xiàng)目框架下建立了3種演示車身，緊接著通過所選擇的負(fù)荷狀況的試驗(yàn)來進(jìn)行。

樁柱碰撞是試驗(yàn)中所選擇的負(fù)荷狀況之一，是根據(jù)名為“傾斜樁柱側(cè)面碰撞試驗(yàn)協(xié)議（v7.0.2）”的歐洲新車評(píng)估協(xié)議進(jìn)行的。在該試驗(yàn)中，車輛以32 km/h的車速和75°的角度撞擊到一根堅(jiān)硬的樁柱的固定位置上。在Alive項(xiàng)目中所進(jìn)行的試驗(yàn)范圍內(nèi)測量車輛的減速，用高速攝像機(jī)從3個(gè)視角記錄其狀況，并使用激光掃描儀測量試驗(yàn)后的變形，然后將這些試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。對(duì)比表明，總體狀況基本具有良好的一致性，而且車身撞擊后的凹入量值和測得的加速度也與試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)，證實(shí)了模擬計(jì)算的預(yù)測結(jié)果。

同樣，試驗(yàn)中構(gòu)件的斷裂特性在一定程度上與模擬計(jì)算得到的結(jié)果相當(dāng)，然而這在模擬計(jì)算中卻并未得以仔細(xì)考慮。作為實(shí)例，圖5示出了清晰可見的撞擊范圍，試驗(yàn)中所發(fā)生的變形與模擬計(jì)算所預(yù)測的結(jié)果相當(dāng)，剩余的座位寬度和保護(hù)蓄電池免受變形的設(shè)定目標(biāo)值已通過試驗(yàn)結(jié)果予以證實(shí)。

（a）

（b）

圖5 側(cè)面樁柱碰撞情況下模擬計(jì)算與試驗(yàn)得到的車門變形比較

其余在Alive項(xiàng)目所進(jìn)行的整車試驗(yàn)也得到了相似的狀況，因此虛擬設(shè)計(jì)的輕型結(jié)構(gòu)方案在碰撞安全性方面能通過試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。

總而言之，在該類車身的開發(fā)中證實(shí)了接合連接失效對(duì)碰撞安全性的嚴(yán)重影響。出于該原因，評(píng)估了臨界部位的拉力和剪切力，并根據(jù)該構(gòu)件試驗(yàn)的極限進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后根據(jù)整車試驗(yàn)來驗(yàn)證開發(fā)團(tuán)隊(duì)所設(shè)定的目標(biāo)。真實(shí)試驗(yàn)和模擬計(jì)算都表明，接合技術(shù)是輕型結(jié)構(gòu)方案采用混合結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)安全性和成本等方面目標(biāo)的關(guān)鍵。