执行摘要
本研究由汽车行业分析师沙尚克·莫迪和阿布贾·瓦达瓦尔克主导，针对汽车轻量化材料联盟（CALM）成员提出的车顶结构轻量化方案进行评估。研究基准为2011款本田雅阁的低碳钢车顶结构，通过计算机辅助工程方法对四种轻量化概念进行评估，包括优化钢材解决方案、高强度铝合金解决方案、混合材料解决方案（聚合物复合材料屋顶表面+铝合金屋顶拱形）和混合材料解决方案（碳纤维增强聚合物屋顶表面+铝合金屋顶拱形）。研究发现，所有概念均能满足性能要求，其中高强度铝合金解决方案减重49%，混合材料解决方案减重39.7%和40.4%，优化钢材解决方案减重19%。研究还分析了各方案的设计、制造与供应链影响，并提出了未来研究方向。
性能概要
- 基准车辆：2011款本田雅阁，车顶结构为低碳钢，总质量25.69千克。
- 性能指标：屋顶压碎、扭转刚度、弯曲刚度、NVH。
- 结果：所有概念方案在性能上均达到基准性能的95%置信水平内。
背景与动机
- 轻量化重要性：随着ACES技术和环保法规的推进，汽车轻量化需求增加。
- 车顶结构优势：车顶结构减重可降低质心，改善操控性和安全性，且适合混合材料应用。
- CALM目标：通过材料行业和汽车制造商合作，实现混合材料的低成本整合，显著减重。
项目范围
- 研究范围：车顶结构的轻量化设计、材料选择、连接技术等。
- 超出范围：完整的生产流程认证、大规模生产验证等。
文献综述
- 材料趋势：当前车顶面板主要使用普通钢，未来将转向铝合金和聚合物复合材料。
- 案例研究：多家机构对车顶结构轻量化进行了研究，包括使用铝合金、碳纤维复合材料等。
研究方法
- 步骤：文献综述、确定项目范围、选择基线车辆、收集轻量化想法、CAE分析、汇报结果、修改和发布报告。
基线车辆
- 车辆信息：2011款本田雅阁，4门LX，低碳钢车顶结构。
设计空间
- 优化部件：车顶面板、车顶弓、车顶梁、进气管。
- 材料选择：IF钢、DP钢、PHS钢、铝合金、聚合物复合材料、碳纤维增强聚合物。
载荷情况
- 研究载荷：屋顶挤压、屋顶面板凹陷、BIW弯曲刚度和频率、BIW扭转刚度和频率。
- 法规要求：满足联邦车顶抗压法规（FMVSS 216）。
设计优化
- 优化方法：实验设计（DOE）和有限元分析（FEA）。
- 优化目标：在满足性能要求的前提下，最大程度减重。
基线设计结果
- 屋顶抗压强度：3.7 SWR, 62 kN。
- NVH性能：扭转频率50 Hz，弯曲频率37 Hz，扭转刚度27.6 kN-m/deg，弯曲刚度6.9 kN/mm。
概念方案
概念1：优化钢材解决方案
- 材料：PHS钢、第三代钢。
- 减重：5千克（19%）。
- 性能：满足基准性能要求。
概念2：高强度铝合金解决方案
- 材料：铝合金、PHS钢。
- 减重：12.69千克（49.4%）。
- 性能：满足基准性能要求。
概念3：混合材料解决方案（聚合物复合材料屋顶表面+铝合金屋顶拱形）
- 材料：铝合金、PHS钢、聚合物复合材料。
- 减重：10.2千克（39.7%）。
- 性能：满足基准性能要求。
概念4：混合材料解决方案（碳纤维增强聚合物屋顶表面+铝合金屋顶拱形）
- 材料：铝合金、PHS钢、碳纤维增强聚合物。
- 减重：10.4千克（40.4%）。
- 性能：满足基准性能要求。
设计、制造与供应链影响
- 各方案对设计、制造、供应链的影响进行分析，包括材料可用性、成本、技能培训等。
未来研究
- **测试所有车辆侧面碰撞概念。
- **研究全景天窗应用。
- 研究制造成本和初始投资。
供应商联系方式
CALM概述及成员公司
- CALM是一个由三十多家行业领先组织组成的合作机构，致力于通过材料行业和汽车行业的共同努力，实现混合材料的低成本整合，从而显著降低物料质量。
