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【汽车与环境】吉利汽车顾鹏云:将AI人工智能引入轻量化设计

盖世直播 2019-09-21 15:16:01
核心提示:2019(第七届)汽车与环境创新论坛现场嘉宾演讲实录,敬请关注!


9月20-21日,由中国人才研究会汽车人才专业委员会指导,国家特聘专家汽车组及盖世汽车主办的"2019(第七届)汽车与环境创新论坛"隆重举办,论坛以一个主论坛加四个平行论坛的形式,携百名行业权威嘉宾,共同探讨中国汽车产业在转型升级的新形势和新常态下,整车厂与零部件企业协同创新、升级做强、共同应对严峻市场和产业变革挑战之发展路径。以下为吉利汽车研究院有限公司NVH 首席工程师顾鹏云演讲内容实录:

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吉利汽车研究院有限公司NVH 首席工程师顾鹏云

从节能减排以及我们在整车开发过程当中所有的属性开发都和轻量化脱不开干系,所以在车辆开发过程当中涉及到很多关于轻量化的问题,我今天给大家介绍一下轻量化工作的开展及挑战,我们的轻量化专家王力博士和我一起准备的演讲材料。内容主要有三个方面:轻量化的意义、轻量化关键技术和挑战,以及轻量化未来的展望。

首先大家知道,整个汽车行业总体下滑,但是,新能源汽车的销量逐步的增加,不管是下滑或者是处于微增量市场,对我们来说,我们就是要让顾客买我们的车,我们提供好的品质,对顾客来说,他们直接体会不到减排,但是与节能相关,比如说油耗,与顾客息息相关。我们经常看IQS数据上,顾客很大的抱怨就是油耗高。除了一些性能方面的要求,新能源汽车的一个最关注的问题是续航里程的问题,根据统计数据,每减重100公斤,续航里程可以增加15-20公里,所以,在产品开发过程当中,我们一直是关注轻量化的问题。

当前,由于环保和节能的需要,汽车轻量化已成为世界汽车发展的主要潮流,刚才,前面葛老师讲的排放问题,还有郭总介绍的发动机的技术,轻量化技术仍然是降低能耗减少排放的有效措施之一,而且在《中国制造2025》中强调轻量化仍然是重中之重,为什么呢?因为从用户的角度来说,一个是性能的提升,第二是油耗降低,还有就是续航里程的提升,从国家的层面来讲就是环保,降低能源的损耗。

从用户的角度来看,根据统计数据,如果车重能够降低10%,我们的百公里油耗可以降低0.7-0.8L,零到百公里加速速度时间可以降低0.5秒,能耗也可以降低10%的动能,轮胎寿命也能够增加,同时减少排放7%,刹车距离可以降低3米左右,另外我们降低了很多车身的重量以后,我们会发觉可以调整车的质心,降低车的重心,而改善车辆的操稳性。

一般是如何进行汽车轻量化?这个也是我们在工作当中的实践问题。首先一般的做法就是选用强度更高,重量更轻的材料,同时我们要设计更合理的车身,零部件的考虑是薄壁化、中空化、复合化,因为结构的变化、零部件设计的变化,同时我们要进行工艺的改进和轻量化技术落地相辅相成。 在实际的应用中,我们会把这两者同时来做,为什么呢?我们有一个基本的理念,把合适的材料放在合适的位置,也就是说当我们进行结构优化的同时,我们也要根据选择的材料来确定是如何来优化这个结构的,或者说根据这个结构的需求我们来选择需要的材料,这样我们才能够在保证整车的质量和性能不受影响的前提下最大限度的来降低整车的重量。

通常轻量化的材料有超强度钢、铝合金、镁合金、复合材料、塑料,工艺上面有TRB、TWB、辊压成型,微发泡,还有非常重要的连接技术,我后面会简单地介绍这些连接技术,因为把不同的材料连接起来,连接技术变成非常有挑战的部分。这个中间还有一个环节就是仿真,也是非常重要的环节,因为如果我们不能够在前期设计的时候对各个性能进行优化设计,性能之间进行平衡,通过仿真结果做一个正确的判断,我们所有的材料和结构的选择都不会达到最优化,设计很可能都会有冗余,性能有不足,而导致顾客使用的时候可能就会有质量的问题了。

一般来说,但相比于单一材质材料的车身,混合材料汽车结构是相对复杂的,我们设计的主导的思想就是把合适的材料用在合适的位置上,这样的话我们就可以在传统的钢车身结构上,使用我刚刚前面提到的轻质合金、高强度钢、复合材料等等,充分发挥钢在强度以及价格方面的优势,又兼顾了减重提升性能的方式。

下面我简单的把一些轻量化的技术以及在实际工程开发过程当中面对的挑战问题跟大家简单回顾一下,首先我们看一下轻量化的技术手段,轻量化技术的不断发展主要受益于轻质合金技术的不断延伸、高强钢技术的发展以及复合材料的应用,轻质合金技术的延伸,用到了很多在底盘件、铝合金车身、镁合金,高强度钢尤其是第三代高强度钢的出现,热成型一体式门环的结构,以及TRB不等厚板的应用,还有2000Mpa超高强钢的出现,都在轻量化方面有很多应用,以及复合材料,发泡材料的使用等等,后面我会一一介绍。

首先是铝合金车身,它一般的应用主要是有三种模式:一个是全铝车身,捷豹I-PACE、路虎览胜、特斯拉的Model S,Model S在开发阶段也曾考虑过其它设计方案,但是,根本没有办法满足续航里程的需要,所以后来就改成了铝车身,到Model3走了钢铝混合路线,因为铝车身太贵。我在特斯拉工作时,我们就参考前一代的奥迪A8,当时是全铝的。现在A8已经是钢铝混合了,以及CT6还有捷豹XF等等。

另外一种情况是,很多的时候因为成本的原因不可能大量的使用铝合金,所以把开闭件用铝合金,本体仍然是钢。比如说雪佛兰的Bolt和宝马6系,混合材料基本上在传统的车身钢质骨架基础上,用铝合金替代部分钢质构件,通过结构化优化设计和性能模拟分析确定钢铝不同比例以及铝代钢的部分,这样实现车身框架结构的轻量化和高强度。

比如 Model3, 基本的概念是把合适的材料用在合适的位置上 ,侧围和后翼子板都是低碳钢,一个原因是简单的磕磕碰碰很容易修复,但是前端用了很多的高强度钢,这样可以对正碰、一些追尾事故可以保护,然后在乘员舱都是用的高强度钢给乘员保护,后面的部分用了不多的铝合金件,我们猜想是Model3后驱车也许是为了平衡整车的重量,可以看出在设计Model 3的过程当中综合性考虑了材料在不同的位置的应用。

还有一个是铝合金材料的使用情况和车的价位有关系,比如说铝防撞粱、铝发动机罩、铝塑翼子板等,大家可以看一下这个表格,根据价位的不同,使用的百分率随着车价位的增加逐步的增加,所以说对高价位的车,还是大量的使用铝合金,主要是从成本和技术复杂度考虑,用的比较多的是铝合金防撞粱,发动机罩,因为这方面技术能力比较成熟,而且在安全性,循环再生的使用方面相比于镁合金、塑料以及碳纤维复合材料铝合金有很大的优势。

铝合金底盘件,比如说副车架、摆臂等等,以及很多的轮毂都是用的铝合金就是为减轻簧下质量,这样能改善舒适性,路噪,提升操控稳定性,最终是降低油耗,还有铝制件比钢制件更耐腐蚀性,对底盘件应用合适。

镁合金也是在逐步的增加使用,镁合金的使用我们可以达到70% 减重,但是镁合金的化学性能比较活跃,所以质量比较难以控制,价位以及耐腐蚀性差一些,所以会影响到应用,在国内的汽车我们目前发现,每个车平均只用不到2公斤,但是欧洲的车型上他们使用的比较多,大概有15公斤左右。镁合金有它的高比强度和高比钢度,散热性比较好,电磁屏蔽性、耐冲击性、阻尼减震性比较好,在铝合金的基础上再用镁合金可以再降低15%-20%左右,目前镁合金发展最快的北美,三大汽车对这些件的使用比较多,实现了单车使用20-40kg镁合金的水平,到目前为止,汽车上已经有60多种零部件实现了应用镁合金制造。

应用多种材料的混合车身结构,面临的最直接的问题就是连接。如果说是全铝车身连接技术非常简单,可以用SPR技术,或者是电阻点焊的办法连接起来,但是当有钢铝搭接的时候就很麻烦了,我看了凯迪拉克CT6他们为这个车的开发做了很多的连接专利出来。从连接技术上的挑战是电化学腐蚀,因为两种材料的电极电位不一样,还有两者材料之间会产生金属间化合物,这些化合物是比较脆性的,这样会影响整个连接的强度。

怎么办?一般处理的时候,两个件中间加胶体隔开改善这种情况。我们要在车身不同的领域根据不同的需求,工艺的不同,有不同的方式连接,但在一个车身上尽可能少的采用各种不同的连接技术,这样在生产线容易保证生产的节拍,同时也可以降低生产设备的采用。

综合来看,轻质材料相对原有的钢部件来说,成本是最大的因素,大概贵100%-200%,另外是6系铝合金材料性能会随着时效效应有改变,在材料性能控制方面同样需要技术的不断改进和突破,还有冲压工艺,有的时候受材料的特性变化,如果冲压拉伸太大会有开裂,也会有回弹的问题,还有连接工艺。同时要考虑涂装问题,对不同的材料对电泳液有不同的要求。还有就是仿真能力,对这些材料不同的特性,尤其是铝合金、镁合金材料,材料特性。往往我们拿不到或者是需要补充。还有一个是连接技术的仿真,这些都是在仿真当中很关键的技术,如果我们在设计过程当中不能够对这些问题进行很好的仿真,我们就不可能去平衡各种性能要求,比如强度,安全性能,NVH的要求,这样我们就无法来判断到底这种材料该用多少?就像当年做model S的时候,开始认为铝很轻了,可是最后做下来发现白车身重量不容易做下来,为什么?在很多的车身部分需要要加强强度和刚度,所以又把一些重量加上去,就没有能达到我们对铝和钢密度比重之间的关系。还有供应商的能力,目前供应商的资源比较有限。

下面讲一下高强度钢,因为钢用的非常的普遍,现在的第三代高强度钢弥补了第一代汽车高强度钢强塑积比较小,第二代钢工艺复杂生产成本高的不足,现在第三代强度钢,吸能性强、塑性适中、冶金性稳定,是比较好的大量使用中的材料。2000MPa热成型钢的使用在现有的热成型钢当中提升了500MPa以后,有什么好处?可以保证在碰撞性能的同时达到15%-25%的重量减重。

还有热成型的一体式门环,这个是一种新工艺的引进,TWB可以用激光拼接焊接的技术,可以把不同厚度的材料全部拼接起来,通过整体的一次性加热以后,进行冲压、冷却、用激光切边完成一体式门环工序。这个优点是整个门环的厚度不是完全一样的,这样我们可以保证碰撞安全性能的同时达到减重的效果。

TRB不等厚钢板应用,这也是一种新的工艺,是一种柔性制造工艺,工艺可以产生不同厚的钢板,我们就可以按照零部件的需要在不同的部位来利用不同的厚度生产零件,这样我们既可以达到零件的性能,同时也可以保证重量。比如说这里面我们讲B柱,这里1.8mm 厚的部位是我们在侧撞的时候碰撞壁跟它碰撞的地方,我们希望把那个地方加厚,而其他的地方可以逐步的减弱,这种技术已经逐步在很多的地方应用,比如说中通道、顶横梁的件等都在逐步的增加这种工艺的使用。

新一代高强钢技术的应用同样也存在着不少挑战。以一体式门环、热成型TRB为代表的轻量化技术应用可能会提升成本。另外,我们发现第三代冷成型高强度高也有一些问题,比如说镀锌脆弱的问题,还有延伸力对吸能效果有影响。再就是制造工艺中的回弹性比较大,导致对尺寸精度控制的挑战,这些也都涉及到设计分析仿真能力的提升。还有TRB虽然可以优化重量,优化性能,但是在制造焊接过程当中焊接工艺的一致性,以及焊接参数选择都是非常有挑战性的工作。再有就是仿真,如何能够在我们的仿真中把这种过渡的区域,材料变化过程当中的特性在仿真当中仿真出来,这是个有待提升的仿真技术问题。

此外,玻纤增强塑料、热固性塑料、热塑性工程塑料、玻纤增强塑料在前端模块和后防撞粱等方面都在大量的使用,我就不一一再述了。

塑料后尾门,现在已经发展到第三代,优点是可以减重达到20%,也有的能达到30%,这个要看具体的车型和后尾门造型的形状,一般的内板是长玻纤增强的PP做的,轻量化的同时也可以满足对造型复杂度情形,所以有它的优点。前端模块一般是PP+LGF40,或者是PA+GF50,这个可以减重达到40%,应用塑料前端模块,零部件集成一起简化了总装工艺,提高了效率。

碳纤材料密度是钢的20%,铝的57%,高强度,高模量,优良的震动阻尼,主要问题是原材料的成本和制造工艺的节拍,如果大量的生产很可能节拍无法保证需求。 我们知道宝马的I3基本是用碳纤的,大概是用了200公斤左右。我们发现在实际使用过程当中,这个模式不好复制。 但是我们觉得碳纤材料和钢材料的复合件是一个发展的方向,比如说我们在B柱或者是地板上面使用用钢和碳纤复合材料复合件的方式。

简单来说,复合材料价格相对来说还是比较贵的,另外对塑料的感知的错误,用户对复合材料尤其是塑料的材料的使用,我记得最早塑料尾门开始推向市场的时候,就有顾客觉得门应该是铁的怎么弄个塑料的?安全性等等都是大家的考虑,这是一种错误的认知。还有就是对车内空气的关注也是中国客户最关注的一点,我这几年做车内空气质量的过程中发现,车内空气是中国客户非常关注的问题,而复合材料的也有气味控制的问题,同时我们还要关心环境保护,复合材料的回收带来的一些环保的问题,以及还有复合材料的老化,耐久性以及制造的时效性问题,也是我们需要考虑得问题。

针对这些技术以及面对难度的挑战,下一步从大的方向上来说,一个是Evolution还是关注于传统材料的发展,高强度钢、新一代的轻质合金如何把成本、制造工艺等等这方面的提升来增加它的使用量和降低成本。再一个就是革命性的新型材料的研发,是不是还有更好新的材料出现超出我们现在的认知,还有哪些低成本的技术可以应用?做汽车大家关注的就是成本,现在关注的一个重要问题就是如何来降低成本?

再一个是3D打印,这个技术的好处就是给我们更多的空间制造更复杂的一些结构,比如说我们知道仿生结构有很多的优点,轻、强度好、安全性好,各种性能好,再一个是讨论到AI人工智能的引入,为什么要讲这个问题呢?

人工智能来引领轻量化设计,因为目前为止,我们在轻量化的整个的开发过程当中使用大量的技术还都是人脑,尽管是用计算机优化,但是很多的优化基于工程师的经验和对问题的理解,我们的想法就是说,应该有一个AI-powered Engineering,从大数据,把各种各样的结构我们看到的,没有看到的或者是非常有限的,把这种结构交给计算机,通过机器学习、深度学习的办法,来把这种知识转化到我们的设计当中,同时利用云计算,高速计算机HPC来提高对设计方案的产生和迭代,这样我们在结构设计方面就可以全面、智能化的减少结构的冗余。

仿真是我们轻量化非常关键的一部分,因为有很多的时候无法对仿真出来的结果做出正确的判断,因为在很多的工况中有很多的标准,比如说出来的数据你要求是10、但是10.5、9.5行不行?如果仿真的精度很差,置信度低,我们就不能做正确的判断,而我们在减重的时候我们是一个零件一个零件按克来算减重结果的,我们给工程师有任务的,一个月或者是一个星期要减几克下来,所以说仿真的结果都是直接影响到我们对最后轻量化技术方案的应用。

第二个是材料的选择,现在我们如何来合理地定义零部件的材料来降低制造成本以及选择新的材料?我七月去美国在MIT跟一个做材料的教授讨论这个问题,他们也在引入人工智能的办法来开发应用新的材料,用超出人类熟悉的办法来开发新材料。

再一个是参数定义,要有调节平衡各个性能的能力,保证车型的竞争力,这个也是和我刚刚讲的仿真技术有关,一旦车造出来就没有办法改变这些东西的,所以前期要把仿真技术提升,这样才能在设计阶段平衡各个属性,达到减重和保持甚至提升性能。

合适的材料通过合适的技术用在合适的位置上这是我们基本的理念,同时要意识到轻量化既是目的也是手段,最关键的一点是轻量化需要和各个性能之间达成平衡,这个是我们工程中每时每刻都在处理的工程问题,这样才能保证我们的产品满足客户的需求,提升客户的满意度。

谢谢大家!


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文章标签: 轻量化 吉利汽车

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