电动汽车覆盖件冲压成形与轻量化优化

摘要：电动汽车发展迅速且逐渐成熟，电动汽车的轻量化是目前发展方向之一。基于此，笔者阐述了电动汽车覆盖件冲压成形及要求，分析了汽车覆盖件冲压成形理论基础，研究了轻量化后的增容效果，并选用了等速法计算进行验证。仿真结果表明：电动汽车覆盖件轻量化处理后，可以将减轻的重量用来增加动力电池的容量，从而达到增加续航里程的目的；同时，协同优化后，可以达到节能减排的目的。

关键词：电动汽车；覆盖件；轻量化；协同优化

随着电动汽车技术的日益成熟，电动汽车已经被越来越多的用户所接受。电动汽车轻量化可以增加电动汽车的续航里程，相关科研人员都在研究电动汽车轻量化问题，以减轻整车重量。汽车覆盖冲压件是汽车四大总成之一，需要一定的刚度、强度、韧性等性能，覆盖冲压件重量减轻的同时还要满足汽车的安全需要。因此，开展电动汽车覆盖件冲压成形与轻量化的协同优化研究具有较好的社会价值。

1电动汽车覆盖件冲压成形

电动汽车覆盖件包括机盖外板、机盖内板、通风室下板、前围板、前底板、顶盖、中地板、后地板、行李箱内板、行李箱外板、翼子板、整体侧围、前门内板、前门外板、后门内板、后门外板、轮罩等。电动汽车的覆盖件和燃油汽车的覆盖件机理一样，电动汽车的覆盖件更加轻量化，采用更先进的轻量化技术，在达到要求的前提下甚至需更加轻量化的材料制备。

2电动汽车覆盖件的质量要求

电动汽车覆盖件不仅需要一定的安全性、经济性、美观性及耐腐蚀性，而且还要尽可能地轻量化[1]，具体要求如下：1）较好的表面质量。汽车覆盖件的表面既要有流线美感，又不能出现波纹、褶皱、凹陷等缺陷，还要满足表面漆涂装要求[2]。2）较好的尺寸形状。汽车覆盖件为复杂的立体几何空间曲面形状，需要有比较精确的尺寸形状精度，以便满足汽车批量制造的统一性，同时还要满足流线型机器人等的装配需求。3）具有一定的刚性和强度。汽车覆盖件既需要一定的强度以抵御外来力量防止产生变形，又需要有一定的刚度避免受到振动后产生噪声及损坏。4）合理的工艺性。合理的工艺性是在一定生产条件下，能够较容易地安排相关工艺设计，包含模具设计、冲压工艺、板材选取等，能够既经济安全，又稳定地获得高质量产品[2]。在满足需求的前提下，有效降低汽车制造成本。

3汽车覆盖件冲压成形理论基础

3.1汽车覆盖件冲压成形技术介绍

汽车覆盖件冲压成形是靠压力机提供压力，作用在上下模具上，使得在模具中间的板材等产生塑性变形或分离，从而获得符合形状和尺寸要求的覆盖件。一般来说，汽车制造企业由设计部门完成新车外观设计后，再进行模型定型，接着开始对汽车覆盖件模具开展设计开发工作。汽车覆盖件的形状复杂、尺寸大、深度不均匀，需要不同的工序，最少需要落料、拉深、修边三道基本工序。多数汽车覆盖件还需翻边和冲孔等工序。有些企业合并工序，提高效率。落料工序是准备板料并将板料送至冲压模具上，拉深工序是覆盖件冲压的关键程序，覆盖件的绝大部分形状由拉深工序形成，冲孔工序是在冲压工序后进行开钻工艺孔和装配孔，修边工序是切除拉深件的工艺修复程序，翻边工序是对覆盖件的边缘进行竖边成形，用以装配焊接面等[3]。汽车覆盖件冲压成形受模具、冲压压力及工艺、冲压参数、材料本身参数等影响，会产生一定的破裂、起皱、回弹等缺陷。因此，在设计时进行仿真计算、分析，可以减少真实实验的时间、经费等。

3.2汽车覆盖件冲压仿真软件

与汽车覆盖件成形相关的钣金成形过程仿真研究起源于国外，随着计算机科学技术的迅速发展，汽车覆盖件冲压仿真研究采用了相关的模拟软件，主要有美国的DYNAFORM、瑞士的AUTORORM、法国的PAMSTAMP等软件，目前国内鲜有此类相关软件[3]。这些软件都是通过相关力学分析，以有限单元法进行数值计算模拟，预测覆盖件缺陷是否产生、形状和质量是否满足需求，从而为选择合适的材料、制定适合的工艺方案等增加参考依据。如采用DYNAFORM的仿真实验分析可以获取次应变图、成形极限图、零件厚度分布图，从图中可以分析易破裂区域，以便进行改进设计。经过拉深筋调整布置，改进后的仿真实验结果破裂缺陷被消除且没有出现起皱现象，再通过冲压实验对比验证，没有产生破裂缺陷和起皱现象，证明冲压仿真结果合理可行。3.3冲压成形极限图的作用成形极限图是由板料在不同应变路径下的局部失稳极限工程应变e1和e2或极限真实应变ε1和ε2构成的条带形区域或曲线。反映了板料在单向和双向拉应力作用下抵抗颈缩或破裂的能力，经常被用来分析、解决成形时的破裂等问题[4]。板料的各种总体成形性能指标或成形极限，大多反映试样的某些总体尺寸变化到某种程度[5]。

3.4冲压成形的起皱、破裂和回弹的产生机理

1）起皱产生的原因。材料堆积引起起皱；材料进入凹模腔内过多产生起皱；板料厚度方向引起的约束力弱，导致压缩凸缘失稳后产生起皱；不均匀的拉深部位受到的力不均，致使失稳产生起皱；覆盖件形状角度过大，导致拉深过程中凸模无法压住料、材料流动过快进而产生起皱；制件压料筋设置不合理，或者压料筋过小，不能有效阻止材料过快地流动；产品需要增加吸皱筋的地方未加吸皱筋，或者吸皱筋过小，进而导致制件在拉深过程中起皱；上、下模之间的间隙过大，导致制件在拉深过程中模具无法压住材料产生起皱。2）开裂产生的原因。产品的抗拉强度不足导致产生的破裂，如靠近凸、凹模圆角处，局部受力过大而破裂；在胀形变形时，靠近凸模顶部产生的破裂或凸缘伸长材料变形流入过大引起的破裂；时效裂纹，即成形复杂区域在成形过程中产生材料硬化，硬化变形时伴随脆化现象，在成形残余应力的作用下引起制件破裂；材料成形时受拉深弯曲后再弯曲折回以致产生破裂，多产生于凸筋或凹模口处；条纹状裂纹，由于材料内有杂质引起的裂纹，一般平行于板料轧制方向[6]。3）回弹产生的原因。主要是在冲压完成时，塑性变形区的局部板料受到超过其屈服极限的应力导致产生了塑性变形，而处在弹性变形区的板料在卸载阶段将发生弹性恢复从而造成了回弹[7]。

4轻量化材料选择

随着新型材料的深入研究，汽车冲压覆盖件选用了更加轻量化的铝合金板材、镁合金板材等。国内有些电动汽车已经采用铝合金板材制造覆盖件用以减轻汽车车身重量，从而增加续航里程。

5技术处理改进

通过仿真分析后，发现出现的缺陷现象，针对问题产生的原因进行改进，增加拉深筋、改良模具参数、调整冲压压力参数、选取覆盖件材料等，再通过冲压成形过程和成形缺陷的动态显式有限元方法、弹塑性增量有限元法的冲压成形过程仿真技术等再次进行多次仿真实验，选取较为适合的技术处理办法，从而获得符合要求且轻量化的汽车覆盖件[8]。

6轻量化后的增容电动汽车覆盖件

轻量化处理后，可以将减轻的重量用来增加动力电池的容量，从而达到增加续航里程的目的[9]。根据能量守恒定律，电动汽车动力电池消耗的能量（不包含其他汽车电器）等于电机驱动力所做的功。（1）…（2）…（3）式中：Eout是电动汽车动力电池输出能量，W；η是电动汽车动力电池能量传递到车轮行驶的效率；F是电动汽车在实验道路上行驶时的驱动力，N；L是电动汽车的行驶里程，km[5]。E为蓄电池组的总容量，kWh；ξ为放电深度。Ff表示电动汽车的道路滚动阻力，N；Fw表示该汽车实验时的迎风阻力，N；m表示该汽车的整备质量，kg；g表示重力加速度（9.81…m/s2）；f表示该汽车在道路上行驶时的滚动阻力系数；Cd表示该汽车实验时的空气阻力系数；A表示该汽车的迎风面积，m2；ρ表示空气密度（1.225N·s2·m-4）；V表示实验时的行驶速度，m/s。采取等速法计算，取用驱动力与行驶阻力相等[10-11]，整理可得：…（4）实验选用等速法计算，在60…km/h的速度下，通过轻量化后续航里程增程图如图1所示。由此可见，电动汽车轻量化后可以增加续航里程，同时轻量化后可以适当地增加动力电池容量从而进一步增加续航里程，达到协同优化的目的。

7结束语

电动汽车在我国发展迅速，技术也越来越成熟。随着科研人员对汽车覆盖冲压件和轻量化的深入研究，以及中国电动汽车的产业化持续发展，会制造出更加安全、美观、轻量化的符合要求的电动汽车覆盖冲压件，续航里程将会进一步增加。

作者:白有俊 单位:海南经贸职业技术学院机电与汽车工程学院