電動汽車覆蓋件沖壓成形與輕量化優(yōu)化
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摘要：電動汽車發(fā)展迅速且逐漸成熟，電動汽車的輕量化是目前發(fā)展方向之一。基于此，筆者闡述了電動汽車覆蓋件沖壓成形及要求，分析了汽車覆蓋件沖壓成形理論基礎，研究了輕量化后的增容效果，并選用了等速法計算進行驗證。仿真結果表明：電動汽車覆蓋件輕量化處理后，可以將減輕的重量用來增加動力電池的容量，從而達到增加續(xù)航里程的目的；同時，協(xié)同優(yōu)化后，可以達到節(jié)能減排的目的。
關鍵詞：電動汽車；覆蓋件；輕量化；協(xié)同優(yōu)化
隨著電動汽車技術的日益成熟，電動汽車已經(jīng)被越來越多的用戶所接受。電動汽車輕量化可以增加電動汽車的續(xù)航里程，相關科研人員都在研究電動汽車輕量化問題，以減輕整車重量。汽車覆蓋沖壓件是汽車四大總成之一，需要一定的剛度、強度、韌性等性能，覆蓋沖壓件重量減輕的同時還要滿足汽車的安全需要。因此，開展電動汽車覆蓋件沖壓成形與輕量化的協(xié)同優(yōu)化研究具有較好的社會價值。
1電動汽車覆蓋件沖壓成形
電動汽車覆蓋件包括機蓋外板、機蓋內(nèi)板、通風室下板、前圍板、前底板、頂蓋、中地板、后地板、行李箱內(nèi)板、行李箱外板、翼子板、整體側圍、前門內(nèi)板、前門外板、后門內(nèi)板、后門外板、輪罩等。電動汽車的覆蓋件和燃油汽車的覆蓋件機理一樣，電動汽車的覆蓋件更加輕量化，采用更先進的輕量化技術，在達到要求的前提下甚至需更加輕量化的材料制備。
2電動汽車覆蓋件的質(zhì)量要求
電動汽車覆蓋件不僅需要一定的安全性、經(jīng)濟性、美觀性及耐腐蝕性，而且還要盡可能地輕量化[1]，具體要求如下：1）較好的表面質(zhì)量。汽車覆蓋件的表面既要有流線美感，又不能出現(xiàn)波紋、褶皺、凹陷等缺陷，還要滿足表面漆涂裝要求[2]。2）較好的尺寸形狀。汽車覆蓋件為復雜的立體幾何空間曲面形狀，需要有比較精確的尺寸形狀精度，以便滿足汽車批量制造的統(tǒng)一性，同時還要滿足流線型機器人等的裝配需求。3）具有一定的剛性和強度。汽車覆蓋件既需要一定的強度以抵御外來力量防止產(chǎn)生變形，又需要有一定的剛度避免受到振動后產(chǎn)生噪聲及損壞。4）合理的工藝性。合理的工藝性是在一定生產(chǎn)條件下，能夠較容易地安排相關工藝設計，包含模具設計、沖壓工藝、板材選取等，能夠既經(jīng)濟安全，又穩(wěn)定地獲得高質(zhì)量產(chǎn)品[2]。在滿足需求的前提下，有效降低汽車制造成本。
3汽車覆蓋件沖壓成形理論基礎
3.1汽車覆蓋件沖壓成形技術介紹
汽車覆蓋件沖壓成形是靠壓力機提供壓力，作用在上下模具上，使得在模具中間的板材等產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得符合形狀和尺寸要求的覆蓋件。一般來說，汽車制造企業(yè)由設計部門完成新車外觀設計后，再進行模型定型，接著開始對汽車覆蓋件模具開展設計開發(fā)工作。汽車覆蓋件的形狀復雜、尺寸大、深度不均勻，需要不同的工序，最少需要落料、拉深、修邊三道基本工序。多數(shù)汽車覆蓋件還需翻邊和沖孔等工序。有些企業(yè)合并工序，提高效率。落料工序是準備板料并將板料送至沖壓模具上，拉深工序是覆蓋件沖壓的關鍵程序，覆蓋件的絕大部分形狀由拉深工序形成，沖孔工序是在沖壓工序后進行開鉆工藝孔和裝配孔，修邊工序是切除拉深件的工藝修復程序，翻邊工序是對覆蓋件的邊緣進行豎邊成形，用以裝配焊接面等[3]。汽車覆蓋件沖壓成形受模具、沖壓壓力及工藝、沖壓參數(shù)、材料本身參數(shù)等影響，會產(chǎn)生一定的破裂、起皺、回彈等缺陷。因此，在設計時進行仿真計算、分析，可以減少真實實驗的時間、經(jīng)費等。
3.2汽車覆蓋件沖壓仿真軟件
與汽車覆蓋件成形相關的鈑金成形過程仿真研究起源于國外，隨著計算機科學技術的迅速發(fā)展，汽車覆蓋件沖壓仿真研究采用了相關的模擬軟件，主要有美國的DYNAFORM、瑞士的AUTORORM、法國的PAMSTAMP等軟件，目前國內(nèi)鮮有此類相關軟件[3]。這些軟件都是通過相關力學分析，以有限單元法進行數(shù)值計算模擬，預測覆蓋件缺陷是否產(chǎn)生、形狀和質(zhì)量是否滿足需求，從而為選擇合適的材料、制定適合的工藝方案等增加參考依據(jù)。如采用DYNAFORM的仿真實驗分析可以獲取次應變圖、成形極限圖、零件厚度分布圖，從圖中可以分析易破裂區(qū)域，以便進行改進設計。經(jīng)過拉深筋調(diào)整布置，改進后的仿真實驗結果破裂缺陷被消除且沒有出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，再通過沖壓實驗對比驗證，沒有產(chǎn)生破裂缺陷和起皺現(xiàn)象，證明沖壓仿真結果合理可行。3.3沖壓成形極限圖的作用成形極限圖是由板料在不同應變路徑下的局部失穩(wěn)極限工程應變e1和e2或極限真實應變ε1和ε2構成的條帶形區(qū)域或曲線。反映了板料在單向和雙向拉應力作用下抵抗頸縮或破裂的能力，經(jīng)常被用來分析、解決成形時的破裂等問題[4]。板料的各種總體成形性能指標或成形極限，大多反映試樣的某些總體尺寸變化到某種程度[5]。
3.4沖壓成形的起皺、破裂和回彈的產(chǎn)生機理
1）起皺產(chǎn)生的原因。材料堆積引起起皺；材料進入凹模腔內(nèi)過多產(chǎn)生起皺；板料厚度方向引起的約束力弱，導致壓縮凸緣失穩(wěn)后產(chǎn)生起皺；不均勻的拉深部位受到的力不均，致使失穩(wěn)產(chǎn)生起皺；覆蓋件形狀角度過大，導致拉深過程中凸模無法壓住料、材料流動過快進而產(chǎn)生起皺；制件壓料筋設置不合理，或者壓料筋過小，不能有效阻止材料過快地流動；產(chǎn)品需要增加吸皺筋的地方未加吸皺筋，或者吸皺筋過小，進而導致制件在拉深過程中起皺；上、下模之間的間隙過大，導致制件在拉深過程中模具無法壓住材料產(chǎn)生起皺。2）開裂產(chǎn)生的原因。產(chǎn)品的抗拉強度不足導致產(chǎn)生的破裂，如靠近凸、凹模圓角處，局部受力過大而破裂；在脹形變形時，靠近凸模頂部產(chǎn)生的破裂或凸緣伸長材料變形流入過大引起的破裂；時效裂紋，即成形復雜區(qū)域在成形過程中產(chǎn)生材料硬化，硬化變形時伴隨脆化現(xiàn)象，在成形殘余應力的作用下引起制件破裂；材料成形時受拉深彎曲后再彎曲折回以致產(chǎn)生破裂，多產(chǎn)生于凸筋或凹模口處；條紋狀裂紋，由于材料內(nèi)有雜質(zhì)引起的裂紋，一般平行于板料軋制方向[6]。3）回彈產(chǎn)生的原因。主要是在沖壓完成時，塑性變形區(qū)的局部板料受到超過其屈服極限的應力導致產(chǎn)生了塑性變形，而處在彈性變形區(qū)的板料在卸載階段將發(fā)生彈性恢復從而造成了回彈[7]。
4輕量化材料選擇
隨著新型材料的深入研究，汽車沖壓覆蓋件選用了更加輕量化的鋁合金板材、鎂合金板材等。國內(nèi)有些電動汽車已經(jīng)采用鋁合金板材制造覆蓋件用以減輕汽車車身重量，從而增加續(xù)航里程。
5技術處理改進
通過仿真分析后，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的缺陷現(xiàn)象，針對問題產(chǎn)生的原因進行改進，增加拉深筋、改良模具參數(shù)、調(diào)整沖壓壓力參數(shù)、選取覆蓋件材料等，再通過沖壓成形過程和成形缺陷的動態(tài)顯式有限元方法、彈塑性增量有限元法的沖壓成形過程仿真技術等再次進行多次仿真實驗，選取較為適合的技術處理辦法，從而獲得符合要求且輕量化的汽車覆蓋件[8]。
6輕量化后的增容電動汽車覆蓋件
輕量化處理后，可以將減輕的重量用來增加動力電池的容量，從而達到增加續(xù)航里程的目的[9]。根據(jù)能量守恒定律，電動汽車動力電池消耗的能量（不包含其他汽車電器）等于電機驅動力所做的功。（1）…（2）…（3）式中：Eout是電動汽車動力電池輸出能量，W；η是電動汽車動力電池能量傳遞到車輪行駛的效率；F是電動汽車在實驗道路上行駛時的驅動力，N；L是電動汽車的行駛里程，km[5]。E為蓄電池組的總容量，kWh；ξ為放電深度。Ff表示電動汽車的道路滾動阻力，N；Fw表示該汽車實驗時的迎風阻力，N；m表示該汽車的整備質(zhì)量，kg；g表示重力加速度（9.81…m/s2）；f表示該汽車在道路上行駛時的滾動阻力系數(shù)；Cd表示該汽車實驗時的空氣阻力系數(shù)；A表示該汽車的迎風面積，m2；ρ表示空氣密度（1.225N·s2·m-4）；V表示實驗時的行駛速度，m/s。采取等速法計算，取用驅動力與行駛阻力相等[10-11]，整理可得：…（4）實驗選用等速法計算，在60…km/h的速度下，通過輕量化后續(xù)航里程增程圖如圖1所示。由此可見，電動汽車輕量化后可以增加續(xù)航里程，同時輕量化后可以適當?shù)卦黾觿恿﹄姵厝萘繌亩M一步增加續(xù)航里程，達到協(xié)同優(yōu)化的目的。
7結束語
電動汽車在我國發(fā)展迅速，技術也越來越成熟。隨著科研人員對汽車覆蓋沖壓件和輕量化的深入研究，以及中國電動汽車的產(chǎn)業(yè)化持續(xù)發(fā)展，會制造出更加安全、美觀、輕量化的符合要求的電動汽車覆蓋沖壓件，續(xù)航里程將會進一步增加。
作者:白有俊 單位:海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術學院機電與汽車工程學院