基于Benchmark的白車身材料解析規范與替代方法研究

王立新，劉雪峰，康醫飛

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

引言

隨著汽車產業的飛速發展和市場競爭的日益激烈，競品車解析已成為了解行業現狀、掌握技術發展趨勢的主要手段[1]。通過正向與逆向設計相結合的手段進行產品設計，能夠實現技術快速積累，縮短開發周期[2]。競品材料解析是打破競品分析中尺寸、結構分析的局限，是競品車深層次的分析，材料解析獲得的材料信息和性能數據，為整車新技術、新工藝以及輕量化的研究提供強大的數據支撐，同時也為正向設計提供專業的技術支持，能夠降低產品的研發成本，加快新技術的開發應用進度，從根本上提升行業水平和產品競爭力[3]。

我國自主品牌整車開發技術遠落后于發達國家，在碰撞安全、NVH、輕量化及腐蝕等技術仍有較大的提升空間。提高車輛用材水平是縮小技術差距的重要手段，自主品牌在材料解析雖然有一些數據積累，但在解析過程中仍存在以下問題：

1）競品材料解析技術能力不足，流程體系不完善。

材料逆向是一項復雜的解析工程，我國汽車材料基礎研究起步較晚，逆向解析能力相對不足，難以支撐深入研究。此外，從整車解析流程到材料的取樣、制樣及評價，行業仍未形成統一的規范流程，亟需建立。

2）解析成本高，限制研究的廣度和深度。

競品車解析不僅需要購置競品車，還需要投入大量的人力、物力、財力和時間成本進行解析，投入產出比相對不高。經費限制只能將解析工作局限于小范圍車型，此外，數據分析管理經驗不足，也難以支撐企業開展深入研究。

3）缺少行業大數據的對標分析等問題。

無行業平臺資源及大數據的分析比對能力，行業信息及技術發展趨勢獲取相對滯后。

本文基于競品車白車身解析，編制適用于我國汽車行業的白車身材料競標分析基礎信息采集規范和性能測試規范。從材料成分、組織和性能逆向解析金屬材料，確定逆向分析應參考的關鍵要素及影響裕度，從而建立科學適用的競品車白車身近似材料替代的推薦工具，根據其用材特點制定車型開發鋼板用材規劃，為車型開發選材提供依據，提升整車性能。

1 競品材料解析流程與規范研究

競標規范建立是材料競標工作開展的基礎，是競品解析規范化、數據測試標準化的重要保證。為規范和明確白車身競品材料解析流程和內容，通過對標國內外優秀企業材料競標規范、材料及零件性能測試標準，結合行業發展現狀，制定符合國內汽車行業現狀的規范體系。

1.1 競品材料解析流程規范

圖1 競品材料解析整體流程

競品材料解析流程規定解析相關要求、職責權限、操作流程等，是提升工作效率和解析準確性的重要前提。白車身材料解析整體流程如下圖1所示。

1.2 競品材料基礎信息采集規范研究

1.2.1 零部件基礎信息采集

競品材料基礎信息采集規范涵蓋解析零部件范圍、信息采集內容和數據管理的要求。綜合參考行業一般采集經驗，明確采集內容和數據信息，為企業產品性能設計和材料選擇提供重要的信息參考。車身系統解析重要零部件如下表1所示，涵蓋白車身所有重要的安全部件。

表1 車身系統解析零部件名稱

競品車拆解過程中應按照“整車-系統-零部件-材料”的方式對整車進行拆解，盡可能將白車身分解至最小零部件單元，對零部件總成和子零件進行編號和記錄。以圖片方式記錄整車原始狀態、拆解過程、零部件狀態信息，每個零件至少有兩張不同角度的拍攝圖片。零部件重量、尺寸等測量應選取合適量程的設備，多次測量取平均值。根據零部件結構形式以及材質信息，判定零部件的工藝信息，包括成型工藝、連接工藝等。

表2 零部件成型工藝、連接工藝規范示例

1.2.2 輕量化信息采集

白車身作為汽車輕量化設計中最為重要的環節之一，其輕量化設計方法受到廣泛關注，具有重要研究意義。競標車輕量化信息采集主要針對白車身零部件的輕量化結構、材料和工藝，參照基本信息采集方法進行詳細的記錄，并通過車四輪投影面積以及白車身扭轉剛度的測量，計算白車身的輕量化系數。車身輕量化系數越小說明單位性能指標付出的重量成本越低，其定義為：

其中L為車身輕量化系數，m為白車身骨架質量(kg)，CT為車身靜態扭轉剛度（N·m/deg），A是由軸距、輪距決定的車身投影面積（m2）。

圖2為歐洲車身會議歷年轎車車身輕量化系數變化趨勢圖[4]，從圖中看出車身輕量化系數變化趨勢總體上是遞減的，由于每年參展車型各有差異，所以結果上輕量化系數變化趨勢并非逐年遞減，但是總體趨勢是下降的。競品車車身輕量化系數求解之后可與行業平均值對比，評估白車身輕量化的定位，進而指導制定輕量化策略。

圖2 歐洲車身會議歷年轎車車身輕量化系數變化趨勢

1.2.3 數據信息記錄

現場數據采集后，經過詳細審核和確認，并將數據存儲于競品材料數據庫中。

表3 白車身競品材料基礎信息采集表

1.3 競品材料性能測試規范研究

競品車材料解析是汽車產品開發過程中非常重要的環節，通過逆向判定競品車用材，為新車型開發提供技術支撐。為保證判定結果準確性，競品車白車身材料解析過程中，需要經過車身材料一系列試驗進行牌號的判定。本文通過構建化學成分、力學性能、金相組織、硬度四種測試方法的取樣、制樣與測試規范，綜合考慮取樣位置、取樣方法和樣料尺寸對測試結果影響，保證測試和判定結果精度。

圖3 零部件取樣位置

1.3.1 化學成分分析

首先通過手持式 XRF設備對金屬材料類別和成分進行初步判定。在定性分析基礎上，進一步對零部件材料進行化學分析，按照GB/T 20066《鋼和鐵化學成分測定用試樣的取樣》進行零部件的取樣與制樣，參照GB/T223系列標準關于鋼中化學元素的測定方法進行材料的測試，主要分析元素C、Si、Mn、P、S、V、Cr、Ni、Mo、Als、Ti、Nb、B、N 等。

1.3.2力學性能分析

金屬材料取樣及制樣方法，按照GB-T2975 《鋼材力學性能及工藝性能試驗取樣規定》進行，硬度測試采用宏觀維氏硬度計，依據 GB/T4342-1991《金屬顯微維氏硬度試驗方法》進行。拉伸試驗按照GB/T228《金屬材料室內拉伸試驗方法》，采用萬能拉伸試驗機進行測試，準靜態拉伸推薦試驗尺寸如下圖4所示，由于板材的規格多種多樣，盡量選取相同的樣件尺寸進行測試。由于零件加工過程中發生變形，會導致測量的材料屈服強度、抗拉強度和延伸率與原材料相比結果偏高。

圖4 靜態試驗推薦尺寸

1.3.3 金相分析

金屬材料金相測試取樣及制樣方法，滿足 GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》的相關要求，金屬材料金相組織測試方法，按照GB13298《金屬顯微組織檢驗方法》進行。汽車板材常見的組織如下圖5所示。

圖5 汽車板常見組織類型

綜合材料化學成分、力學性能和金相組織測試結果，考慮零部件試樣成形過程中的硬化影響，依據材料力學中卸載定律與冷作硬化原理，判斷測試結果與原材料測試結果差異。利用車用材料基礎數據庫（AMASS）的材料基礎數據，為材料牌號的確定提供依據，進一步確定未知材料的牌號。

2 近似材料替代系統工具開發

汽車零部件選材時，材料性能應滿足零部件的適應性的工作條件，有良好的加工工藝性與經濟性，保障產品的綠色環保。競品材料逆向解析需要依靠大量的試驗測試和技術判別，尤其分析的部件都是經過加工變形，測試的結果與原材料的性能具有一定的差別，所以逆向解析結果往往只為選材提供參考。競品車材料涉及范圍廣、精確定位某一供應商材料難度大?；谲囉貌牧匣A數據庫（簡稱 AMASS）開發材料替代系統工具，依據逆向解析結果推薦企業認可的替代材料，對于整車選材設計具有重要的意義。

圖6 化學成分的條件檢索界面

圖7 檢索結果中不同材料牌號的物化性能對比

材料替代系統工具能夠依據指定的單一或多個關鍵性能數參數，創建近似材料推薦清單，以供企業初步選材使用。首先根據競品車材料測試的化學成分、力學性能和金相組織數據，選擇限制條件進行近似材料檢索，檢索過程中參數值盡量選擇合理的范圍區間，如下圖6為化學成分的條件檢索界面。在檢索結果中可以查看更為全面的材料信息，包括供應商信息、應用部件、材料的物化性能、力學性能、環保性能等信息。同時工具支持不同材料牌號的力學、物化、工藝、環保等性能的對比，如圖7所示。企業綜合材料各項性能指標，結合材料的應用部件特征選擇合適的材料用于整車開發。

3 結論

材料逆向解析是一項集技術性、開拓性和綜合性于一體的系統工程[5]，需要綜合材料的化學成分、力學性能、金相組織、硬度等材料性能，通過解析規范和替代工具開發解決行業競品解析準確性和數據對標分析能力。

構建競品材料解析的材料解析流程規范、信息采集規范、性能測試規范，詳細規范解析的零部件范圍、基礎信息采集內容等，將材料解析工作按其內在聯系形成有機整體，解決材料解析依靠經驗和流程體系不完善的難題，用于指導企業新車型開發中的零部件選材，提升整車碰撞安全性和耐腐蝕能力，進而提升整車性能。

基于車用材料基礎數據庫（AMASS）開發了競品材料近似替代系統工具，通過已知的競品材料性能數據自動創建出近似材料匹配清單，有效的提升選材效率，通過大數據對標分析，選擇合適的替代材料。

由于競品車板材沖壓后進行力學性能測試，所得測試值與未沖壓前板材的力學性能值存在一定差異，具體預應變對材料的強度、延伸率的影響有待進一步研究[6]。

[1] 田少凱,任曉輝,盧曉薇,等.某車型鋼板用材逆向分析[J].汽車實用技術,2016(3):46-48.

[2] 李紅,崔長友,孫磊.基于逆向分析的變速器上安裝橫梁零件材料選擇[J].汽車工藝與材料,2013(2):56-58.

[3] Malen D E, Hughes J. Mass Benchmarking Using Statistical Methods Applied to Automotive Closures[J].Sae International Journal of Materials & Manufacturing,2015,8(3).

[4] 李軍,陳云霞,孫衛健,等.乘用車輕量化評價方法研究[J].汽車工藝與材料, 2014(9):1-5.

[5] 應陳勇,鞠魯粵,林成輝.逆向工程在車身設計中的應用[J].機械與電子,2009(2):30-32.

[6] 王金輪,蘭鳳崇,陳吉清.沖壓成形導致材料性能的變化對耐撞性的影響[J].汽車工程, 2012, 36(4):367-372.