关于车身结构设计和高强度钢的应用的探讨

张建国 杨欠欠

摘 要：随着能源危机以及环境问题的日益加剧，环保、节能、低碳以及安全一直是各汽车厂商关注的热点。为了实现环保、节能、低碳这一目标，减轻汽车重量是十分有效的方法，而减轻车重势必影响整车的安全性，这就导致了各种高强钢在汽车车身上的广泛应用。本文主要探讨了车身结构设计和高强度钢的应用。

关键词：车身结构 ；高强度钢

一.车身结构设计

车身结构设计是车身安全最基础、最重要的因素，目前市面上众多车型设计思想均采用“吸能区+乘坐区”的车身结构模式。

1、前部碰撞吸能區

如果碰撞时，纯刚性物体的车身会把强大的冲击力直接传递到乘员身上，乘员将受到严重伤害。若把车身前部设计成有一定空间的能量吸收区域，在发生正面碰撞时，发动机舱周围的部件会产生适当的毁坏，从而吸收大部分的撞击力，使在乘坐区的乘员所受的撞击能量极大地减少。车身前部主要由保险杠、水箱固定框、纵梁、副车架等组成，当碰撞时，这些部件产生挤压、弯曲、拉伸等变形，并相互作用，从而能有效地吸收撞击能量。吸能区在设计上除了吸收碰撞能量外，还要把剩余的能量分流，不能只集中在一、二点上传递给乘坐区，主要通过地板纵梁、门槛、A柱、车门防撞梁等向后部传递。以避免因局部破坏而使乘员受伤。正面碰撞的主要受力和变形部件是上、下纵梁，偏置碰撞或柱状碰撞时，主要是保险杠骨架和横梁来承受。之后传递到整个车身上。

2、后部吸能区

后部吸能区的设计比前部有更加宽松的条件。由行李箱后部、车身纵梁等自然构成一个吸能宅间。吸能区在设计上除了吸收碰撞能量外，还要把剩余的能量进行合理的分流。在具体结构设计上，要注意纵粱的断面形状和大小、板料厚度等的选择，以及后悬架固定处的局部刚性保证等问题。

3、高刚性的乘坐区

确保乘员有足够的乘坐空间是保证生存的重要条件，因此这个区段的压缩变形量必须受到限制。乘坐区是由侧围、地板、顶盖、前围、后围等部件构成，各部件的材质、板厚、断面形状及零件形状联接方式等都是影响刚性的因素.目前主要是通过经验设计来完成，并且使用有限元分析和试验进行修改调整，可能要多次反复才能确定方案。

4、能量吸收式转向柱设计

当车辆发生正面碰撞时，人的头部、胸部容易撞到方向盘，甚至是车身溃缩后，方向盘向后挤压，伤到驾驶者。

根据法规，转向柱须设计成在撞击后可溃缩，才能在车辆受前向撞击，驾驶者往前撞击到方向盘时，产生溃缩作用，达到保护驾驶者的目的。

5、乘坐区侧面防碰撞设计

与汽车正面碰撞相比，汽车侧面吸能构件较少，乘员与门内板之间仅存在20-30mm的空间，一旦受到来自侧面的撞击，乘员将受到强烈贯入的冲击载荷作用，严重时危及生命，所以必须提高侧面防碰撞强度。

侧面防撞设计主要针对车体的侧面梁系的设计，它要求车体要一定刚度和强度，通常是在汽车两侧门夹层中间放置一两根非常坚固的钢梁，当侧门受到撞击对，防撞钢梁把碰撞力传送到A柱、B柱上，如果设计更好的话A柱和B柱应该再把这些力传送到底盘的上顶，把这个撞击力化解到最小，因此坚固的防撞杆能大大减轻侧门的变形程度，从而能减少汽车撞击对车内乘员的伤害。Volvo是世界上最早开展侧面安全性能研究的公司之一，其专利技术侧面碰撞保护系统（SIPS）堪称是最好的侧面保护技术，它对B柱作了专门的强化处理，具有优异的抗冲击性能。B柱彼此之间通过5个高强度的横板连接成一体，当任何一个B柱受到碰撞的冲击时，它就会通过横板快速传到其他B柱上，使冲击力能向前、向后、向下快速扩散。车门在侧面碰撞时也扮演着极为重要的角色，Volvo公司对车门采用角钢制成，碰撞时，可以防止车门侵入车舱内伤害到乘客。车门通过特殊结构勾在B柱上，即使受到很大的碰撞力也不会脱落，这样B柱上的冲击力就可以有效地向前、向后、向下扩散开来。底座采用激光焊接，具有很高的强度，与B柱一起可以提供最好的侧面保护。

二.高强度钢板的应用

1 双相钢

双相钢（Dual Phase Steels）被认为是最早开发用于汽车车身制造的一种先进高强度钢铁材料，它具有强度高以及成形性好的特点。近年来，热处理双相钢的生产技术取得了重大进展，但能实现双相钢工业化生产的只有安赛乐米塔尔，日本JFE公司，中国宝钢等为数不多的几个钢铁企业。我国宝钢现今能生产双相钢的最高级别为DP1180，面对飞速发展的汽车产业，怎样进一步提高双相钢的强度级别是钢铁研究者的首要任务。

2 相变诱导塑性钢

相变诱导塑性钢（Transformation Induced Plastic Steels）是一种新型汽车结构用钢，它是通过相变诱导产生塑性效应，具有比较好的成型性和高的强度，在汽车上的应用前景很值得期待。TRIP钢具有屈服强度和抗拉强度高，延展性以及冲压性好等特点，这对减轻车重，降低油耗，保障乘车安全性等具有显著的优势。现在TRIP钢主要用来制作汽车的挡板，底盘和车的冲击梁等部件。在韩国浦项，成型性好的TRIP钢，可用来加工成形状复杂的汽车部件；在日本，TRIP钢已被用在概念车底盘约80种零件上，从而使车的零件重量约减轻12%。随着生产TRIP钢的工艺手段与方法的逐步完善，它的大规模工业化生产即将成为现实，TRIP钢也将有一个更加广阔的应用前景。

3 超级贝氏体钢

贝氏体钢的强度比较高，韧性比较好，深受材料研究者的喜爱。近年来，一种具有良好强韧性能的高强度贝氏体钢，我们称之为超级贝氏体钢（Super Bainite Steels）越来越受到钢铁界的重视。英国剑桥大学的Bhadeshia教授的研究团队，他们把高碳高硅钢淬火至200-300°C的低温，再在此淬火温度等温转变几天后，可得到厚度为20-40nm 的贝氏体板条和板条间富碳的残余奥氏体组成的纳米级组织。这种贝氏体钢的抗拉强度可达2.5GPa，硬度超过 600HV，断裂韧度值为30-40MPa·m1/2，该钢高的强韧性，使它成为汽车轻量化用钢的一个良好备选材料。

虽然Bhadeshia等研发的超级贝氏体钢抗拉强度很高，但由于采用相对高的合金和碳含量，焊接性能差，不太适合大规模的生产应用。清华大学方鸿生教授等降低碳含量，研究了Fe-0.25C-2.5Mn-1.8Si-0.5Cr贝氏体和马氏体复相钢，该钢的抗拉强度为1500MPa，伸长率为13%，相比较而言综合性能有所提高。

4. 淬火配分钢（Q&P）

淬火配分钢的显微组织主要是由马氏体基体和残余奥氏体双相复合而成。对于含碳量较低的钢，经Q&P处理后其显微组织为典型的板条马氏体和马氏体条间的薄膜状残余奥氏体组成。当碳含量较高的时候，基体为由板条马氏体和孪晶马氏体混合而成的组织，残余奥氏体则呈不规则分布。Q&P钢是一种具有高强度和较高延伸率结合的新钢种，其优越的性能主要来自于钢中马氏体和奥氏体双相组织的合理配比。高强度来自于马氏体和合金元素固溶强化的贡献，而高塑性则取决于马氏体中的碳含量和残余奥氏体的含量及其分布。

2003年，Speer等基于对碳配分过程的理解提出了淬火配分（Q&P）热处理工艺，该热处理过程包括：首先将试样加热到奥氏体区使其奥氏体化后淬火到马氏体开始转变温度和转变结束温度之间某一设定温度，得到马氏体和残余奥氏体的混合组织；并在此温度（一步法）或高于此温度（两步法）保温一定时间使碳元素从过饱和的马氏体向奥氏体中配分，提高奥氏体稳定性，从而在最后淬火至室温的过程中保留下来。Q&P钢因优异的强韧性的结合，成分中主要有C、Mn、Si（A1）元素，有着广阔的应用前景。

参考文献：

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[2]韩莹.钢塑一体轻量化车身结构设计研究【J】.汽车技术，2013，（2）：33-36.

[3]孟晓光.安全车身结构优化设计【J】.城市建设理论研究（电子版），2012，（13）