未来钢结构汽车项目

1.项目概况

未来钢结构汽车项目(FSV）始于2007年，集成了世界各钢铁企业高强度钢的最先进产品、世界著名设计公司EDAG的设计水平，以及美国加利福尼亚大学和密西根大学等研究机构的先进研究成果，并针对先进动力系统的新能源汽车开展全新的设计研究，该项目的成果成为汽车发展的一个风向标。该项目采用的高强度钢材料、成形技术、车身设计理念，以及全生命周期评估思路，为世界各汽车制造商提供了不可多得的参考模型。

2.研究内容及成果

FSV项目共分为三个阶段。

第一阶段全面评估和鉴定适用于汽车大批量生产，且适于2015—2020年技术水平的先进动力系统和未来的汽车技术。全球市场分析显示，目前汽车市场份额中超过70％的两个车型为A级和B级的小型车（长度为4 m），以及C级和D级的中型车（长度达4.9 m）。因此，国际钢铁协会将FSV的车型定位为FSV-1和FSV-2两种。尺寸较大的FSV-2和尺寸较小的FSV-1的前端结构相同，但有不同的轴距和车长，且都设计为世界各地的汽车供应商可以接受的车型规格和性能指标。FSV电动汽车的技术参数见表2-14。

第二阶段工作内容是完成各车型的设计方案，包括先进高强度钢（AHSS）、超高强度钢（UHSS）的选择及制造技术的优化在内，设计工作包括7个不同零部件优化的多种解决方案：门槛、B柱、顶盖前/后横梁与前上部翼子板载荷传递路径有关的零件，以及与电池系统载荷传递路径相关的零件。

表2-14 FSV电动汽车的技术参数

续表

资料来源：《汽车工艺与材料》中的《未来钢质汽车轻量化的有效途径》。

第三阶段工作内容是技术研究成果的体现和实施。目前，国际钢铁协会的汽车用钢项目组正在研究其实施的具体方案和细节。

3.项目参与单位及组织方式

由世界汽车用钢组织牵头的FSV项目，由包括宝钢（Baosteel）集团有限公司、阿塞洛米塔尔（Arcelor Mittal）钢铁集团有限公司、蒂森克虏伯（Thyssenkrupp）股份公司、美国钢铁工人联合会（USW）等在内的全球17家主要汽车钢板供应商共同出资并全流程参与项目的开发过程。

未来钢结构汽车的方案是在联合国《气候变化框架公约》的指导下，于2007年启动的为期3年的计划，FSV项目启动资金达数百万欧元，以提供安全、轻便、高强度的车身结构为主导，解决不同动力总成系统的要求及在整个生命周期减少温室气体的排放。开展FSV项目的目的是利用汽车车身质量的减重及由此涉及的控制制造成本来证明钢材应是汽车结构轻量化材料的首选。

4. 项目特点分析

1）先进的设计理念

在FSV的设计过程中，钢及其应用技术与先进的设计理念相结合，形成了结构优化和用材合理的完美解决方案。在设计中，采用在一个分析系统中使用多个CAE工具，以产生最佳的设计解决方案。

与常规设计方法用一个或几个设计概念进行评估的方法不同，FSV设计过程同时可评估多个负载条件下的数以百计的设计理念。设计目标和制造工艺上的限制可同时满足，如载荷、制造工艺、材料特性和成本限制等。根据概念设计的结果，车体的形状、风阻系数等参数将被评估，同时拓扑优化理论可以依据车身性能分配材料以达到最优结果。根据拓扑优化计算结果，可以得到适用于可制造的CAD模型及最终的白车身模型。

2）先进高强度钢应用

FSV方案采用了更先进的高强度钢及其成形技术。它应用了20多个新品种的先进高强度钢，占车身用材的97%，其中，千兆帕以上级别的高强度钢超过整体车身用材的50%。FSV应用的材料包括双相钢（DP）、相变诱导塑性钢（TRIP）、孪晶诱导塑性钢（TWIP）、复相钢（CP）和热成形钢（HF）等，这些钢材代表了汽车用钢的最新技术，它们满足了汽车制造商所要求的汽车用钢强度高、成形性好、车身结构更轻和碰撞性好的需要。这些钢材预计在2015—2020年将会批量生产。

3）先进高强度钢成形技术

从传统的冲压成形技术到先进的热成形、液压成形、激光拼焊、辊压成形和激光焊管技术，FSV车身设计涉及大量先进的高强度钢成形技术。通过改善微观结构而生产的DP钢和TRIP钢，增加加工硬化指数，产生更高的拉伸和碰撞能量吸收率，以及较高的总延伸率，改善了这些钢材的局部延伸率和边缘拉伸特性。

4）优化的产品集成方案

根据板材的尺寸规格、板材质量、零件特征、成形方法及相关的工艺、材料等参数，在预先设定白车身静力学和动力学性能的前提下，确定最佳的成本方案。FSV项目设定的方案目标参数有车身质量、制造成本及全生命周期的CO2等效排放量。车身质量的目标为190 kg。在制造成本的评估上，使用了技术成本建模（Technical Cost Modeling）。同时，用改进的温室效应排放模型进行全生命周期的CO2排放评估。

5）全生命周期评估技术

汽车是材料、制造及能源综合体系的中间产品，在评估汽车对CO2排放的影响时，不仅要从其能源消耗量去计算，还要考虑其制造过程中及报废后的回收环节中能源的利用和排放。为了保证使FSV技术达到最低的碳排放，设计中利用了全生命周期评估原理，即进行生产、使用和回收全流程的评估。全生命周期评估方法帮助汽车制造商评估减少能源消耗的总量及产品全生命周期的温室气体排放量。