Docol® EV 设计概念

为了应对电池电动车带来的独特 Body-in-White (白车身) 挑战,SSAB 开发了一个新的“虚拟平台”,以帮助孵化采用 Docol® 先进高强度钢的下一代设计解决方案。

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电动汽车 (EV) 设计解决方案的虚拟平台

Docol EV 设计概念演示了如何以经济有效的方式提高电动汽车的安全性、重量和空间利用率,并通过 AHSS 钢优化车身几何形状以应对最重要的载荷路径问题。 EV 概念目前包括以下创新思想:
  • EV 电池外壳由 3D 辊压成型的 AHSS 钢制成
  • 优化地板横梁,以最大程度地减少对电动汽车电池组的碰撞侵害
  • 并优化电动汽车门槛 (脚踏板) 的能量吸收梁

使用 3D 辊压成型型材降低 EV 电池外壳的高度

电动汽车电池外壳的原型
图 1: 电池外壳的部分原型使用了 Docol EV 设计概念的关键理念:吸能的门槛梁 (在侧面柱碰撞测试后显示在此处)、能量传递地板横梁和 3D 辊压成型电池承载结构(请参见下面的图2)。 侧面碰撞测试要求不得侵害电池组。 对于1742 x 1320 x 120mm尺寸的电池组,此外壳的重量轻至75kg。
Docol EV 概念电池外壳设计的分解图。
图 2:Docol EV 概念电池外壳设计的分解图。
Docol EV 设计概念中电池外壳的一个非常独特的组成部分是下部承重结构,该结构由以网格形式排列的 3D 辊压成型的型材组成。 该网格在外壳的底板和电池托盘之间保持指定的距离,从而确保为电池提供足够的保护,使其免受 Z 轴方向的撞击(即碰撞来自汽车下方)。
您使用 2D 辊压成型的型材做网格,如果一个型材垂直放置在另一相似 2D 型材上,则将网格的高度加倍。 使用 3D 辊压成型技术可以消除此问题。 在 3D 辊压成型机中,辊子可在成型过程中沿所有方向移动。 因此,您可以制作一个型材,使其一部分截面固定不变,而一部分截面可变,如图3所示。 然后,可以将一个型材垂直放置于另一个类似的型材上(上下颠倒),而不会在 Z 轴方向上使高度加倍。
3D 渲染显示电池外壳的结构
图 3: 下图中,乘客舱下方的蓝色梁是电池外壳的底部“网格”结构 — 由 Docol 1700M(马氏体)3D 辊压成型梁以十字交叉形式排布而成。 X 轴方向上的轮廓与 Y 轴方向上的轮廓相同,但是将其倒置可使网格的高度减半。
3D 辊压成型技术和位于瑞典 Borlänge 的 Ortic AB 公司的照片。
图 4: 3D辊压成型技术和位于瑞典 Borlänge 的 Ortic AB 公司的照片。www.ortic.se
由于凹槽沿梁的长度方向贯穿始终,因此 X 轴和 Y 轴方向上的载荷路径是连续的,因此可能是最坚固的。 3D 辊压成型生产具有充分的灵活性,这意味着可以通过 3D 辊压成型机的软件来更改承载结构的每个横梁之间的距离。 3D 辊压成型具有成本效益和高度灵活性,它还可以提高材料利用率。

电池外壳的托盘由软钢制成,并拉深出完全垂直 (90°) 的侧壁,从而优化了电池组的空间。 托盘还可以防止电池在碰撞时和碰撞后泄漏到环境中。

围绕电池托盘的框架可提供冲击保护并使结构稳定。 框架的异型侧面由 Docol 马氏体1700Mpa 制成,并使用常规的 2D 辊压成型工艺制造,带有经济高效的压铸件连接四个拐角。

为电动汽车门槛结构设计吸能 AHSS 梁

与配备内燃发动机的汽车不同,电动汽车必须通过门槛吸收更多的能量。 为什么? 1 ) EV 电池的重量,2) EV 刚度大的下车体,以及 3) 禁止对 EV 电池组造成侵害的要求。 门槛中的挤压铝板被认为是吸收更高能量的有效方法,但价格昂贵。

为了尝试与挤压铝门槛梁的性能相匹配,SSAB 对由 Docol CR 1700M 钢制成的 2D 辊压门槛梁进行了模拟。 挤压铝合金为 EN AW-6082 T6,外壁厚度为 4.5mm,肋条厚度为 3mm。

用于 2D 辊压成型门槛梁的可能设计数不胜数,因此图6中仅显示一些典型设计的结果。 (SSAB 已模拟了更多门槛梁型材,但此处未显示。)
侧面柱碰撞试验的仿真
图 5: 侧面柱碰撞试验的仿真:碰撞柱侵入门槛结构中,Docol CR 1700M 梁必须证明其能量吸收效果。

该图显示了九种不同 Docol 1700M 轮廓的力与位移的曲线图
图 6: EV 的门槛结构中使用的九种不同 Docol 1700M 轮廓的力与位移曲线图。 要查看此处测试的门槛梁的轮廓,包括性能最好的轮廓,请 联系 Docol
调整每种设计型材的壁厚,使 Docol 1700M 门槛梁的重量与 6082 T6 铝门槛梁的重量相同。

力与位移模拟表明,AHSS 钢横截面必须具有某种肋条才能正常工作。 因此,所有这些型材都具有某种内部结构。 为了降低制造成本和减少复杂性,已经使用方形管焊接在一起进行了许多模拟。

方形管焊接方法似乎可行,但连接肋条的厚度却加倍。 并且,根据模拟,型材的外壳厚度比肋条的厚度更重要。

SSAB 已确定何种型材 — 带有单壁肋条 — 可以使外壁更厚,并具有与铝制横梁相似的碰撞性能,且两种材料的重量相同。

Docol 1700M AHSS 制成的吸能门槛梁可承受碰撞变形而不会破裂吗? 最初的 Docol 原型表明可以做到。 但是,所有这些方管型材都需要进行焊接,SSAB 需要进行更多测试,以确定梁的焊缝是否具有足够的延展性以应对变形而不会破裂。

设计 AHSS 地板横梁以有效传递碰撞载荷

保护 EV 电池组在侧面碰撞时免受侵害的最有效方法是确保乘客舱地板上的横梁构件不会变形。 因此,横梁构件必须坚固并且完全不吸收能量 — 相反,它们应将侧面碰撞力从车厢的一侧传递到其另一侧:见图7。
为了获得最佳的防撞性能/重量/成本比,横梁构件必须由 AHSS 薄钢板制成,当用于受压时,这可能是一个挑战。 (参阅 设计手册: 高强度钢的结构设计和制造。)

SSAB 已模拟了具有不同轮廓的横梁 — 但全部由 Docol CR 1700M 制造 — 它们在性能上存在巨大差异。 从方形轮廓开始,一个问题是半径应该有多大。 具有展开后更长的适中传力区的大半径是否比具有较高但很狭窄的集中传力区的小半径更好? 下面的图8中的模拟结果表明,15倍料厚半径比1倍料厚半径更好。 Docol 1700M 横梁构件的厚度已经过调整,因此不同梁型材的总重量相同。
两张图片显示了通过地板横梁构件的侧面碰撞载荷路径以及横梁构件优化的设置
图 7 :左图: 通过地板横梁构件的侧面碰撞载荷路径。
右图: 横梁构件优化设置。
该图显示了模拟的 Docol CR 1700M 横梁构件的力位移曲线
图 8 : 模拟的 Docol CR 1700M 横梁构件的力位移曲线。 该标签显示半径 (mm)、横梁厚度的倍数。 要查看此处测试的横梁构件的轮廓,包括性能最好的轮廓,请联系 Docol
AHSS 钢具有很高的屈服点。因此,对于在受压状态下工作的宽而薄的零件,必须考虑所谓的“局部失稳”现象:请参阅 SSAB 的设计手册。 抑制局部失稳的一种方法是通过凹槽使型材的宽段变窄,并提高材料利用效能。

在图 8 中显而易见的是: 1) 大半径比小半径好,并且2)沟槽通过消除局部失稳发挥了主要作用 — 它们提供了更大的半径,借此力得以传递。 值得注意的是,具有一个或多个凹槽的型材实际上表面积更大,并且必须具有更薄的 Docol 1700M 才能保持零件总重量不变。

仿真结果表明,与方形型材相比,优化横梁的碰撞载荷传递性能可以增加一倍以上。 在此应用中至关重要的是峰值载荷,而不是能量吸收。 发生碰撞时,不得超过此峰值载荷。

Docol EV 的下一代设计概念是什么?

我们希望引起 OEM 的兴趣,激励他们将 AHSS 钢用于电池电动汽车的关键部件,同时实现与成本更高的铝或其它 CO2 密集型材料相同的减重效果。

我们还希望 OEM 能够实现更高水平的 AHSS 材料利用效能,以便能给他们带来更多的节省。 我们将为汽车设计师提供 AHSS 仿真,例如侧面碰撞仿真,以展示如何提高关键安全组件的性能,例如将地板横梁的性能提高一倍。

最后,我们想展示用于 AHSS 钢的创新设计和生产方法,例如用于节省空间的 EV 电池外壳的 3D 辊压成型。 诸如用于制造在受压条件下工作的交叉网格之类 3D 辊压成型 AHSS 等创新技术,将真正为设计人员思考如何实现横向和纵向最大化轴向载荷性能开辟道路。

您是否有要使用 AHSS 钢来解决的 BEV 设计难题? 那么现在,为您的下一个项目请随时与我们联系。
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