Концепция дизайна электромобиля Docol®

В ответ на особые потребности, связанные с проектированием кузовных компонентов для электромобилей на аккумуляторных источниках питания, компания SSAB разработала новую виртуальную платформу, которая помогает в разработке решений нового поколения с использованием прогрессивной высокопрочной стали Docol®.

СМОТРИТЕ КОРОТКИЙ АНИМАЦИОННЫЙ РОЛИК

Виртуальная платформа для конструктивных решений электромобиля

Концепция дизайна электромобиля Docol предлагает способы экономичной модернизации электромобилей с целью улучшения безопасности, уменьшения веса и увеличения их вместимости за счёт оптимизации геометрии кузова путём применения прогрессивной высокопрочной стали в области наиболее важных путей нагружения. В настоящее время здесь можно найти передовые идеи для:
  • проектирования корпуса батареи электромобиля из прогрессивной высокопрочной стали с трёхмерным роликовым профилированием,
  • оптимизации поперечин пола для защиты батареи электромобиля в случае столкновения, а также
  • оптимизации энергопоглощающих балок для внешней части порога электромобиля.

Уменьшение высоты корпуса батареи электромобиля при помощи элементов, изготовленных путём трёхмерного роликового профилирования

Прототип корпуса батареи электромобиля
Рисунок 1. В данном частичном прототипе корпуса аккумуляторной батареи использованы ключевые идеи Концепции дизайна электромобиля Docol: энергопоглощающие балки порога (здесь: после испытания, имитирующего боковой удар о столб); передающие энергию поперечины пола; несущая конструкция аккумуляторной батареи, изготовленная методом трёхмерного роликового профилирования (см. рисунок 2 ниже). Испытание стойкости к боковой ударной нагрузке предусматривает полное отсутствие проникновения в отделение аккумуляторной батареи. Для аккумуляторной батареи с размерами 1742 x 1320 x 120 мм минимально возможный вес корпуса составляет 75 кг.
Перспективное изображение компонентов корпуса для аккумуляторной батареи, спроектированного на основе Концепции электромобиля Docol.
Рисунок 2.Перспективное изображение компонентов корпуса для аккумуляторной батареи, спроектированного на основе Концепции дизайна электромобиля Docol.
Уникальный компонент Концепции дизайна электромобиля Docol для корпуса батареи - это выполненная в виде сетки нижняя несущая конструкция, изготовленная методом трёхмерного роликового профилирования. Сетка сохраняет необходимое расстояние между днищем корпуса и поддоном аккумуляторной батареи, обеспечивая защиту батареи в случае столкновения, когда сила удара направлена снизу.
В случае двухмерного роликового профилирования компонентов, расположенных перпендикулярно аналогичному двухмерному профилю, высота сетки увеличивается вдвое. Избежать этого можно посредством трёхмерного профилирования материала. В процессе трёхмерного профилирования ролики могут перемещаться во всех направлениях. Таким образом может быть создан профиль с фиксированной и свободной частями, как показано на рисунке 3. При совмещении перпендикулярно расположенные и повёрнутые разными сторонами профили не создадут двукратное увеличение высоты.
Трёхмерное изображение конструкции корпуса аккумуляторной батареи
Рисунок 3. Синие пересекающиеся балки под пассажирским салоном представляют нижнюю сетку в конструкции корпуса аккумуляторной батареи. Балки изготовлены из мартенситной стали Docol 1700M методом трёхмерного роликового профилирования. В направлениях X и Y используется одинаковый, однако повёрнутый разными сторонами профиль, что обеспечивает двукратное уменьшение высоты сетки.
Процесс трёхмерного роликового профилирования – фото сделано на предприятии Ortic AB, город Бурлэнге
Рисунок 4. Процесс трёхмерного роликового профилирования – фото сделано на предприятии Ortic AB, Бурлэнге, Швеция www.ortic.se
Поскольку продольные канавки направлены по длине балок, пути нагружения в направлениях X и Y сохраняют целостность, обеспечивая максимальную прочность. Трёхмерное роликовое профилирование отличается высокой степенью гибкости. Это означает, что расстояние между каждой поперечиной несущей конструкции можно корректировать с помощью программного обеспечения. Трёхмерное роликовое профилирование является экономичным и гибким в применении процессом, который обеспечивает максимальное использование материала.

Поддон аккумуляторной батареи выполнен из мягкой стали, которая образует полностью вертикальные (90°) боковые стенки, что позволяет оптимизировать место для аккумуляторной батареи. Поддон также исключает утечки в окружающую среду в случае столкновения.

Рама, окружающая поддон аккумуляторной батареи, стабилизирует конструкцию и обеспечивает защиту при столкновении. Профильные стенки рамы выполнены из мартенистой стали Docol 1700 МПа с применением двухмерного роликового профилирования. Четыре стороны соединены литыми уголками невысокой стоимости.

Проектирование энергопоглощающих балок, выполненных из прогрессивной высокопрочной стали, для использования в конструкции внешней части порога электромобиля

Область порога в электромобиле должна поглощать больше энергии по сравнению с автомобилями с двигателем внутреннего сгорания. Почему? 1) вес аккумуляторной батареи, 2) более жёсткая конструкция нижней части кузова электромобиля и 3) требования, которые предписывают защиту аккумуляторной батареи электромобиля от любого внешнего проникновения. Экструдированные алюминиевые компоненты рассматривались в качестве эффективного, хотя и дорогостоящего решения для поглощения энергии сильных воздействий.

Пытаясь добиться эффективности на уровне экструдированных алюминиевых балок, компания SSAB провела моделирование балок порога, изготовленных методом двухмерного роликового профилирования из стали Docol CR 1700M. Были приняты в расчёт экструдированные компоненты из алюминиевого сплава EN AW-6082 T6 с внешними стенками толщиной 4,5 мм и рёбрами жёсткости 3 мм.

На рисунке 6 показаны только наиболее типичные из множества возможных вариантов двухмерного роликового профилирования. (Другие результаты выполненного компанией SSAB компьютерного моделирования здесь не отображены.)
Имитация испытания боковым ударом о столб
Рисунок 5. Имитация бокового удара о столб: конструкция подвергается удару узким объектом, при этом балки из стали Docol CR 1700M должны продемонстрировать достаточный уровень энергопоглощения.

График соотношения силы и смещения для девяти различных профилей из стали Docol 1700M
Рисунок 6. График соотношения силы и смещения для девяти различных балочных профилей из стали Docol 1700M, используемых в области порога электромобиля. За информацией о тестируемом в рамках этого испытания балочном профиле для порога, а также о профиле с наилучшими показателями, следует обратиться к контактному лицу по вопросам Docol.
Толщина стенки каждого проектируемого профиля выбирается таким образом, чтобы вес балки порога, изготовленной из стали Docol 1700M, соответствовал весу компонента из алюминиевого сплава 6082 T6.

Расчёты силы и смещения указывают на то, что для надлежащего функционирования поперечина из прогрессивной высокопрочной стали должна иметь ребро жёсткости. Поэтому все рассматриваемые профили имеют внутренний элемент. Чтобы применить менее сложную конструкцию и обеспечить невысокие производственные затраты, моделирование во многих случаях осуществлялось с использованием сваренных труб квадратного сечения.

Версия со сваренными трубами оказалась удачной, но рёбра жёсткости должны иметь удвоенную толщину. В соответствии с данными моделирования толщина внешней стенки профиля имеет большее значение, чем толщина рёбер.

Специалисты SSAB определили, при использовании какого профиля  (с ребром жёсткости одинарной толщины) допустима бóльшая толщина внешних стенок, и сопротивление излому соответствует характеристикам балки из алюминия при одинаковом весе.

Способна ли энергопоглощающая балка порога или внешнего элемента порога, изготовленная из прогрессивной высокопрочной стали Docol 1700M, противостоять ударной деформации без растрескивания? Исходные прототипы из стали Docol демонстрируют, что способна. Однако для трубного профиля квадратного сечения требуется сварка, поэтому сотрудникам SSAB необходимо провести дополнительные испытания, чтобы определить, в достаточной ли степени сварные швы пластичны, чтобы обеспечить деформацию без растрескивания.

Проектирование поперечин пола, выполненных из прогрессивной высокопрочной стали, для эффективной передачи разрушающей нагрузки

Наиболее эффективным способом защитить батарею электромобиля от бокового удара будет использование стойких к деформации поперечин непосредственно под полом пассажирского салона. Для этого требуются прочные поперечины, которые совершенно не поглощают энергию – энергия бокового удара должна передаваться с одной стороны автомобиля на противоположную, см. рисунок 7.
Чтобы обеспечить оптимальное соотношение характеристик, веса и стоимости, необходимо использовать поперечины из прогрессивной высокопрочной стали небольшой толщины, что вызывает определённые сложности, если компоненты подвержены сжатию. (См. Справочник по проектированию: особенности конструкции и производство изделий из высокопрочной стали.)

Специалисты SSAB обнаружили значительное различие характеристик при моделировании поперечин из различного профиля, изготовленного из стали Docol CR 1700M. Если говорить о профиле квадратного сечения, возникает вопрос, насколько большим должен быть радиус. Будет ли большой радиус с разнесённым умеренным механическим упрочнением иметь преимущества по сравнению с малым радиусом и значительным локализованным упрочнением? Представленные на рисунке 8 результаты моделирования демонстрируют, что 15xt (радиус в мм, умноженный на толщину поперечины) имеет лучшие характеристики, чем 1xt. Толщина стали Docol 1700M откорректирована так, чтобы общий вес различного балочного профиля был одинаковым.
Два изображения, демонстрирующие путь нагружения через поперечину пола при боковом ударе и моделирование оптимизации поперечины.
Рисунок 7. Слева: путь нагружения через поперечину пола при боковом ударе.
Справа: моделирование оптимизации поперечины.
График с кривыми соотношения силы и смещения для моделируемых поперечин из стали Docol CR 1700M.
Рисунок 8. Кривые соотношения силы и смещения для моделируемых поперечин из стали Docol CR 1700M. В легенде приведены значения радиуса в мм, умноженного на толщину балки. За информацией о тестируемом в рамках этого испытания балочном профиле для поперечин, а также о профиле с наилучшими показателями, следует обратиться к контактному лицу по вопросам Docol.
Прогрессивная высокопрочная сталь отличается высоким пределом текучести, что может вызвать местный прогиб. Это необходимо учитывать для подверженных сжатию тонких компонентов большой ширины: см. предлагаемый компанией SSAB справочник по проектированию. Ограничить местный прогиб можно, уменьшив с помощью продольных канавок ширину сегментов профиля и обеспечив более эффективное использование материала.

Из рисунка 8 очевидно, что: 1) большой радиус лучше малого, 2) продольные канавки в значительной степени уменьшают местный прогиб, создавая радиусы для передачи сил. Можно заметить, что профиль с одной или несколькими продольными канавками имеет большую поверхность, и для сохранения общего веса требуется использовать сталь Docol 1700M меньшей толщины.

Имитация показывает, что оптимизированная поперечина более чем в два раза улучшает распределение разрушающей нагрузки по сравнению с профилем квадратного сечения. Критически важное значение в этом случае имеет пиковая нагрузка, а не поглощённая энергия. Пиковая нагрузка при столкновении не должна быть превышена.

Каковы дальнейшие планы в отношении концепции дизайна электромобиля Docol?

Ориентируясь на собственную заинтересованность производителей, мы стремимся побудить их к использованию прогрессивной высокопрочной стали для изготовления критически важных компонентов электромобиля, что позволит добиться того же уровня оптимизации веса, что и в случае более дорогого алюминия либо других углеродоёмких материалов.

Мы также предлагаем автопроизводителям шире использовать прогрессивные высокопрочные стали, чтобы они смогли достичь большей экономии. Мы готовы предоставить автопроизводителям имитации (например, бокового столкновения), которые демонстрируют возможности улучшения свойств критически важных для обеспечения безопасности компонентов. Так эффективность поперечин пола может быть увеличена вдвое.

Наконец, мы желаем продемонстрировать инновационные методы проектирования и производства изделий из прогрессивной высокопрочной стали, например, трёхмерное роликовое профилирование оптимального по размерам корпуса для батареи электромобиля. Такие инновационные методы, как изготовление стойкой к компрессии поперечной сетки путём трёхмерного роликового профилирования прогрессивной высокопрочной стали, расширяют представление инженеров о возможностях повышения осевой нагрузки как в продольном, так и в поперечном направлении.

Есть ли у вас задачи по оптимизации конструкции электромобилей, которые вы хотели бы решить с помощью прогрессивной высокопрочной стали? Мы рекомендуем как можно раньше обратиться к нам при планировании Вашего следующего проекта.
180