车身横梁逆向设计

摘  要：汽车车身横梁用热轧钢板是载重汽车应用最广泛的钢板之一，本文介绍了我国汽车车身横梁板的生产现状，消费现状，典型生产企业以及发展趋势。将车身横梁固定在经过失效处理过的基础架上，并放置在三坐标平台上调平，以前围、顶盖、后围、侧围的特征对称点为参考，将车身横梁调整在车身横梁坐标系下。

关键词：汽车车身横梁；逆向设计；性能

汽车车身横梁钢就是在制造汽车车身横梁时，制造厂商所使用的厚度为 2.5~12.0mm 范围的钢板。因为汽车车身横梁形状不规则，较为复杂化。因此在制造过程中需要注重强度的数值大小。同时也要注重冲压性能以及冷弯性能。汽车车身横梁是各类重型汽车以及使用性能要求较高汽车的重要组成部件。近年，我国汽车产量保持飞速增长使汽车车身横梁板消费量大幅上升。国内具有热连轧生产线钢铁企业普遍开始生产研发高强度等级汽车车身横梁板，但生产水平与研发进度不一^[1]。

一、我国汽车车身横梁板的生产现状

在上个世纪 50 年代左右，我国的“解放牌”汽车上的大梁采用的就是 16Mn 材料，这即为我国汽车车身横梁板研发的开始。汽车车身横梁板的研发生产经历了强度从低到高的过程，从低强度的420L 逐渐到高强度 510L、610L 等。最近，我国钢铁企业的装备水平和生产技术水平快速提高，国内凡是具备热连轧宽带钢生产线的钢铁企业已经普遍掌握 510L、610L 的生产技术，可实现批量生产^[2]。少数企业具备了生产 700MPa 及更高强度级别汽车车身横梁板的能力。国内外目前在生产汽车车身横梁板方面采用的方式基本相似，大多使用连铸中厚板坯 - 热连轧的方式。在材料设计上大多数采用使碳含量降低的方法，并且加入钒、铌、钛等合金^[3]。

目前在国内各生产企业在生产汽车车身横梁板的时候有如下三种选择：中厚

板轧机、常规热连轧和薄板连铸连轧。热连轧生产的效率高，而且 600MPa 级以下汽车车身横梁板生产技术的成熟稳定，目前，国内90%以上的大梁板是用热连轧生产，少数企业考虑生产线的相互协调，提高生产组织的灵活性，缩短交货周期等因素把在厚度6mm 以上的汽车车身横梁板安排在中厚板轧机生产，但产量很小^[4]。CSP 与常规热连轧相比具有一定的优势，尤其是薄规格产品未来的市场需求量将越来越大，优势将愈加明显。根据调研掌握的汽车产量、消费单耗、库存变化等因素预测，2012 年我国汽车车身横梁板的产量约 210 万 t，其中 700MPa 级以上汽车车身横梁板的产量较低，占比不超过 5%，主要有市场需求量不大，根本原因在于三个方面，一是由于汽车行业设计对的高强度级别产品的用量不大；二是高强度钢板的价格较高，不利于汽车企业降低制造成本；三是钢板在冷成形性能、质量稳定性、易焊接性等方面还有提高的空间^[5]。

二、我国汽车车身横梁板现状

2.1 总量

由数据显示在 2012 年，我国的汽车出售数量上涨幅度较大，达到 1930.64 万辆，其中货车（含非完整车辆、半挂牵引车）累计产量 324.17 万辆，客车（含客车非完整车辆）产量 50.64 万辆。汽车车身横梁板主要用于货车和客车。根据近年来我院对中国重汽、长春一汽、东风汽车、宇通客车等企业的调研情况，掌握了不同车型汽车车身横梁板的单耗，以及 2012 年我国分车型车辆产量，综合估算，2012 年我国汽车车身横梁板的消费量 196.6 万t^[6]。

目前，我国汽车车身横梁板应用的主要牌号有 16Mn L、09Si VL、4系列 5 系列居多，其中 510L 的市场需求量最大，其次是 610L，两者合计消费量超过汽车车身横梁板总消费量的 85%。此外，部分车型的副梁用普碳钢及优质碳素结构钢等，牌号有 Q195、Q235、35 号和 45 号等^[7]。

2.1 汽车车身横梁板预测

在 2013 年一季度，我国汽车的销售数量突破 540 万辆大关，同比增长突破 13%，展现了良好的上升趋势。2015 年我国整车产量达到 2500 万辆，其中乘用车 2031 万辆，商用车469 万辆。依据不同车型的大梁板单耗计算，至 2015 年，我国汽车车身横梁板的消费量将达到 290 万 t^[8]。

目前国内汽车车身横梁板生产量较大、产品综合性能突出的企业是宝钢、攀钢、武钢和鞍钢等。各家企业大多采用的工艺是前文所说的降低碳含量，加入各种合金元素的方法。选择使用不同的控轧以及控冷的技术来使得所制造材料的强度及材料的成型性能得到更好的配合。在各个企业中，所使用的合金也各不相同。

最近几年，由于工业现代化进程的飞速提高，汽车产销量保持高位增长，汽车车身横梁板的需求量正在迅速上升。各个汽车生产企业为了实现节能减排的目标，尽量在保证安全性能的同时降低汽车重量。在重型载货汽车方面，发达国家已采用 700MPa 的高强钢制作大梁，这样可以取消车中纵梁的加强版，可以使得自身的质量得到减轻^[9]。从目前欧美日在汽车轻量化材料研发历程来看，将来 600MPa，700MPa 级汽车车身横梁板将成为市场需求的主流。它不仅符合了强度的要求，还兼顾了成形性，韧性等优点，同时抗疲劳的性能也很优秀。随着汽车工业的日益发展，汽车承载能力的高低、使用寿命的长短、节约能源以及材料等方面的要求会日益提高，用更高强度的钢板生产制造汽车车身横梁已成为众所周知的发展趋势^[10]。

2.3趋势

目前，我国汽车车身横梁板的市场需求以 510L 和 610L 为主，但能够生产 700MPa 级以上汽车车身横梁板的企业数量不多。部分企业只想着提高钢板的冷成形性能与焊接性能，使钢中含碳量降低，但是由于屈强比的因素，使得钢板的性能不稳定，因此高强度钢的成形技术没有完全解决。当前，国内汽车车身横梁板已经出现了产能过剩，同质化竞争激烈。在此形势下，钢铁企业首先要瞄准市场需求量最大的 510L和 610L，逐步形成规模生产优势，满足市场需求^[11]。

在市场开拓上，重点开发区域内消费量较大的汽车企业，争取建立战略合作关系。

三、汽车车身横梁逆向设计

汽车工业是全球制造业的支柱产业之一，随着市场需求的改变，汽车的更新换代速度日趋加快，其设计制造速度的快慢直接制约着汽车业的发展。现代化设计理念的形成将给汽车发展带来巨大的变革，由此而提出的逆向工程在汽车制造领域的应用将会大大改进汽车制造业的现状。逆向工程（Reverse Engineer），是指用一定的测量手段对实物或模型 进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的 过程。逆向工程在汽车工业中的应用，着眼于实际问题就是在汽车设计中 怎样进行实物测量和逆向建模，所使用的CAD设计工具主要是CATIA和 UG，利用现有的设计方法和手段，根据汽车自身特点，建立起与原模型相近的数字模型^[12-14]。

车身横梁扫描之前，必须对车身横梁三个方向进行调平。设备：平台：双臂或单臂三坐标测量机，并有足够的量程能测到整个车身横梁的所有点。 一般来说，车身横梁坐标按以下方式定义：以车身横梁地板大梁下较为 平直的一段为车身横梁X方向的坐标线，车前进的方向为 X负方向；过前轮中心线垂直于车身横梁对称中心面所划的直线为Y方向的坐标线，左侧为负； 以通过前轮中心线并垂直于XY平面所划的直线为Z方向的坐标线，向上为正方向。H4项目因为某些原因，其XY平面选在左地板下表面较平坦处；YZ平面选在左侧为外板拉延的平面处；XZ平面为车身横梁对称平面^[15]。   

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