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  • 輕量化材料及成形技術在汽車上的應用

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    2017年05月12日 09:48:30
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    【鋁博士網】蓋世汽車主辦的第九屆全球汽車產業(yè)峰會于上月召開,蓋世汽車特邀請中國汽車工程研究院股份有限公司輕量化中心副主任周佳參加本次省會并在會上與在場的專家和業(yè)內人士交流分享,其主題為:《輕量化材料及成形技術在汽車上的應用》

      以下是他的部分演講內容:

      各位嘉賓,下午好!我是來自中國汽車工程研究院的周佳,今天報告的主要內容是輕量化材料,將從四個方面進行介紹。輕量化技術是汽車節(jié)能減排的重要途徑。

      對汽車工業(yè)而言,節(jié)能減排刻不容緩,我們把日本、歐盟、美國節(jié)能減排的要求及指標先列出來。今天上午,有專家提到了一點,截止至2020年,百公里碳排放量要達到18克。節(jié)能減排方面,我們可通過調整國內汽車產品結構,采用節(jié)能技術提升車輛的燃油經濟性,進而采用切實可行途徑提升交通運輸效率。在調整結構方面,我們可以采用小型車、混合動力車、電動車來提升車輛的節(jié)能性,今天上午我們單位周總也提到過,還可以采用輕量化技術實現(xiàn)節(jié)能減排。在國家政策方面,汽車燃料經濟性標準的制定可根據乘用車商業(yè)化的實際推廣情況來制定。據研究表明,若汽車實現(xiàn)減重10%,可節(jié)省燃油6%-8%,排放量則下降3%-5%。上述數(shù)據表明,輕量化同樣能實現(xiàn)節(jié)能減排。

      在實現(xiàn)輕量化時,保障車輛的安全性是首要前提,在選則替代金屬的材料時,務必要考慮耐用度及強度等重要性能指標,而并非單純選擇重量較輕的材料,其中涉及到輕量化選材及材料性能方面的相關內容,本人在此就不贅述了。其中,實現(xiàn)途徑主要以下三種:1.選擇適宜的材料2.調整中國車輛的結構設計3.改善工藝。我先舉了幾個例子,這是我們在2016年中國汽車輕量化技術研討會上的部分資料,這張表是2015年歐洲車身會議的車身用材情況,包括:鋼材、鋁合金、鎂合金、非金屬材料等。從表格中可發(fā)現(xiàn),其采用了高強度鋼,且使用比例越來越高。其次是鋁合金材料,某些車型也選用了鋁合金板材、鋁合金擠壓型材。在某些車型上,鋁材的應用比例是非常高的,如:捷豹、路虎、奔馳、名爵(MG),這是國外車企在輕量化選材方面的情況。這張表則介紹國內的情況,我們也把車型的用材情況列了出來。從表中可以發(fā)現(xiàn),國內某些乘用車鋼材的使用比例還是比較高的,但某些A00級或者較小的電動車型則開始采用上述鋁合金材料,且用材的比例較高。有些全鋁小型車對鋁材的使用較多,也有些車型采用了非金屬復合材料。談及國內外的輕量化先進制造工藝,我們從以下幾方面進行了總結。

      在制造工藝方面,主要涉及高壓成形激光拼焊邊護板、高強度熱成形鋼。國內車企對上述材料的用量比國外要少一些,但近年來,國內熱型鋼的用量越來越大,連接技術也涉及到電焊、弧焊、激光焊等技術,并對國內外的應用情況進行了對比。

      在輕量化材料應用方面,我們主要是從三個方面著手,可能國內的技術不是太專業(yè),主要采用高強鋼、鋁合金、塑料復合材料。高強鋼技術的演變可以分為以下幾個時間段:80年代、90年代、2000年-2020年。80年代時DC鋼采用的比較多,90年代時烘烤硬化鋼(BH鋼)的應用較多,2000年后雙相鋼(DP鋼)的應用比較大,2000年后則向超重鋼發(fā)展。鋼材方面的內容,我就不過多介紹了,大家應該都比較了解。談及高強鋼,一般在制造潛艇、修建高速公路時會用到,其經常采用超高強鋼。高強鋼在向雙相鋼、淬火延性鋼(QP鋼)方向發(fā)展,其厚度可以達到1.6毫米,重量約在0.3-0.38 kg,DP1.2的厚度可達到1.2毫米,通過提升鋼材的強度并縮減壁厚來實現(xiàn),同時優(yōu)化其結構來實現(xiàn)減重。國內各車企及部分日系、美系、歐系對高強鋼的用量在逐年增長,其采用先進高爐煉制超高強鋼,相對于歐美系,日系更注重于該材料,其傾向于通過結構優(yōu)化設計來滿足我們對性能方面的要求。美系對高強鋼的用量處于相對平穩(wěn)的狀態(tài),但其總用鋼量較大,未來對高強鋼的用量增長較明顯。

      鋁合金的選用則需符合安全法規(guī)的要求,將從省油、降排、動力與舒適性等方面提高競爭力,鋁合金的用量也在增長。我們選取了全球車企旗下多款車型的用材情況,某些車型對鋁合金材料的應用比例非常高,路虎有款車型采用全鋁車身,其中絕大部分采用了鋁合金板材。其次是壓鑄技術、板材擠壓件在車輛上的大致應用情況,這是在汽車各主要部件上的應用情況,如鑄造件在發(fā)動機、底盤、傳動方面的應用,傳動系統(tǒng)對鑄造件的應用較多。而車身系統(tǒng)由于不存在熱交換,也采用鑄造件。其他的部件對鑄造件的的應用也比較多。鋁合金型材在保時捷懸架上也有應用,這里列的保險杠只是其中的一種應用情況。

      鋁合金車用板材主要被用于覆蓋件,主要涉及5系和6系車型,在四門兩蓋、覆蓋件上的應用較多。在發(fā)動機、底盤件、汽車龍骨等零件也采用了鑄造鋁合金件。

      塑料復合材料主要涉及金屬材料和非金屬材料兩大類,非金屬包括:樹脂、橡膠、石墨、陶瓷、碳纖維增強復合材料等。此外,還涉及到主熱塑性復合材料、SMC、BMC等主要材料,上述材料主要被用于功能鍵、結構件。針對碳纖維復合材料,我們列舉了國內外常用的基碳纖維原絲生產工藝,美、日等國的多家企業(yè)選用了該材料。歐洲發(fā)行的寶馬A3及許多阿爾法羅密歐車型也大量采用了該材料。

      針對該材料,中國在推進一個重點研發(fā)計劃,在座也了解碳纖維測試,有的可能正在做類似的項目,該材料在零部件中也有應用。鑒于成形工藝的應用,某些整車廠的車型也采用了該材料,主要被用于模塊化組件?,F(xiàn)在先簡單介紹下成型工藝方面的內容,主要分三部分:1.熱成形,2.鋁合金形態(tài)成形,包括:高強度鋼材,強度越高,成形難度越大。尤其當鋼強度達到1500兆帕時,我們采用冷軋的技術難以滿足,這時我們采用的是一種熱成形工藝。在此列出的是大致的成形工藝及操作流程。我們可以借助新工藝獲得高強乃至超高強度零件或者極為復雜的原件,進而縮減零件的使用數(shù)量,尺度精度較高。我們的板材、高強度板在成形過程中面臨較大的技術難題,目前羅列了其在部分零件上的應用情況。我們對2015款斯柯達明銳白色車身的選材進行了相關統(tǒng)計歸類,其還采用了鋁硅件,具體信息請參見材料清單。

      可以先談下熱成形市場的現(xiàn)狀。2016年中國乘用車銷量超過2400萬輛,總量約為2600萬輛,平均車身重量大致為300 kg,若熱成形的應用比例在18%,則可實現(xiàn)減重近50 kg。單從乘用車的數(shù)量考慮,熱成形的需求大概是150萬噸左右,國內的重型產業(yè)大概是一百條左右,我們熱成形在國內發(fā)展比較迅速,已建成許多生產線,寶鋼、馬鋼等國內品牌均可供應熱成形鋼,輕量化的安全性能得到提升,國產汽車品牌的產量、市場份額迅速擴大。

      熱成形應用的難點主要包括:延遲斷裂、抗力等,其性能均有待提高。對此,我們也做了相關研究,主要涉及工件熱成型后的三點彎曲(試驗),實際上曾做過一些試驗,在精制完成后曾出現(xiàn)開裂的情況。我們也在資料中列舉在成形技術發(fā)展方向的相關內容。

      其次,我們做了鋁合金保險杠的開發(fā),我們想要采用鋁合金保險杠替代我們原有的鋼制保險杠,從優(yōu)化材料的工藝設計,主要分兩塊:保險杠橫梁及截面,進行截面的優(yōu)化設計。

      截面優(yōu)化設計要設置優(yōu)化條件,現(xiàn)在展示的是截面優(yōu)化的結果,涉及壁厚、材料性能等,其質量大概是0.25 kg。我們也會做過工藝優(yōu)化設計,涉及擠壓工藝、熱處理、彎曲焊接,這是我們做的擠壓成型的仿真分析,優(yōu)化了擠壓工藝。這是我們擠壓工藝的優(yōu)化結果,涉及流速、出口溫度等。對于鋁合金件,我們采用了焊接工藝,用于鋁合金間的焊接,并對焊接工藝進行研究及優(yōu)化,其中涉及各類焊絲及焊接后的情況等,這是對不同焊絲的宏觀對比,包括對焊接接頭的影響、焊接后的拉伸數(shù)據對比、液粘度曲線等,還對腐蝕鋼進行過相關研究。

      最后就是實施和驗證。當時制作兩套模具旨在衡量和比對模具制成件的形態(tài),將產品拉彎成查看并比對彎曲成型的效果。接下來進行焊接操作,公司當時進行焊接工裝設計,還申請了相關的專利。最終,成品的性能如資料所示,當時我們采用了不同的材料,用6160、6063和6101等三種鋁材進行產品性能對比。

      完成零部件級別的實驗后,我們當時也做了整車碰撞實驗,把保險杠安裝到對應的車型上,進行正碰(100%)及%偏置碰(40%)實驗并對結果進行對比。上述兩項實驗是按國家標準(國標)進行的,測試結構基本上達到我們國標要求。各位看到的是碰撞結果。我們鋁合金發(fā)中心召開曾與長安合作過一個發(fā)動機罩,當時采用了6016鋁合金板材。

      當時是實現(xiàn)盈利的,主要涉及熔煉、鑄造、熱軋、冷軋,清洗、除油、剪切、包裝等整個板材的生產工藝流程。完成后,實現(xiàn)了部分性能的優(yōu)化,同時依據不同的情況、時間下曲線、方向等數(shù)據,對力學性能進行了分析。完成鋁合金板材工藝優(yōu)化后,我們對材料的硬化進行了研究,選取了不同鋁合金板材,進行烘烤硬化對比。成形性能比較重要,因為在板材設置出來后,我們可以預測沖壓過程中開裂情況,用仿真分析進行工藝優(yōu)化和設計,消除我們上市后因產品開裂導致的不良影響。我們鋁合金用到車身外部,如外覆蓋件,我們就考慮材料的抗壓性能,我們很看好其性能表現(xiàn)。

      在鋁合金板材的沖壓過程中,該材料與鋼材不同,我們比較關注回彈技術。將鋁合金應用到汽車外覆蓋件,主要考慮到其便利性及包邊工藝,我們會對其包邊工藝進行過研究,考量過90度包邊及180度包邊等情況。

      本頁內容主要是關于鋁合金仿真分析及結構優(yōu)化。我們采用仿制的方式進行相關分析,主要是完成系統(tǒng)分析,然后實現(xiàn)高速公路路測時的性能優(yōu)化設計。采用鋼制模具,查看并比對其成形性能,還進行了成形回彈分析,獲得了鋁合金外板回彈量和內板回彈量,還測量了模態(tài)剛度等。此外還分析了扭轉剛度,其性能指標符合我們的設計要求。

      我們對罩蓋件進行了仿真分析,未來將優(yōu)化發(fā)動機罩蓋,大體思路是這樣?;诓煌匿摱龋瑢μ厥饨Y構進行了優(yōu)化工作。這是我們的優(yōu)化設計流程,以下是對優(yōu)化設計結果的對比,總共設計了三種方案。

      在制定方案時,要考慮其模態(tài)、鋼度還有抗性,這里是各種結構做出來的對比,我們還可以考慮采用沖壓工藝連接技術。此外,我們對內外板制定了相關評價標準、外板和內板的相關的一些品種標準。然后,我們還涉足了涂裝工藝,總共用到七副模具,并對外板進行了沖壓實驗,在完成沖壓工序后,然后進行涂裝操作。優(yōu)化后,所得的實驗數(shù)據與早前類似,大致能實現(xiàn)減重46%,就像從18kg減到近12公斤的情況,在鋼材方面,高強度鋼和超高強度鋼在汽車上已經大量應用。

      鋁合金也是重要的汽車輕量化材料,可提升油耗表現(xiàn)。根據現(xiàn)行法規(guī),其安全性能符合國內要求,我們可推動鋁合金擠壓型材、鋁合金板材在汽車上的應用,未來鋁合金材料件將會得到大量的推廣和應用。很多自主品牌現(xiàn)在也可以開始考慮選用鋁合金型材、板材了,我們國內主主要鋁合金生產企業(yè)包括:南山鋁業(yè)等。塑料復合材料今后也會取得迅猛的發(fā)展,被廣泛應用于高端知識和技能源。以上是我的介紹情況,謝謝大家。

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