轉自水木大牛

FHWYSH

https：//www。newsmth。net/nForum/#！article/GreenAuto/709700

之前在幾個回帖中談到與車身結構安全相關的問題，後來發現某些ID毫無理性態度與基本專業認知而只會抬槓，與這樣的ID討論是浪費文字，便刪除原有回帖並將相關內容集中為這個主題貼，同時添加了一些關聯的基礎內容。

一、在車身結構安全方面，車企的實現目標是什麼？

車身結構安全子系統，是屬於“車身碰撞後乘員保護系統”的一部分。

車身碰撞後乘員保護系統（A系統） = 車身結構安全子系統（A1子系統） + 乘員約束子系統（A2子系統，由座椅/頭枕/安全帶/安全氣囊/安全氣簾組成）。

A系統的實現目標，是在車身碰撞事故中，最大程度地減少或者避免乘員艙內人員所受到的傷害。A1子系統也同樣遵從於這個目標。

二、在A系統方面，車企遵從的產品標準是什麼？

最基本的要求是中國國標中的條文規定：GB11551、GB20071、GB37337、GB20072、GB31498。但是國標只是最低標準，如果某款車型只按照國標的要求去設計開發A系統，那這樣的車型上市之後，對於乘員的保護能力很薄弱。

所以，大部分車企的大部分車型都不會按照國標進行A系統的設計生產，而是會採用乘員保護等級更高的標準：即採用全球6大汽車碰撞測試機構的評估體系，選擇其中的一部分或者全部的分項指標作為企業產品標準。

不同車型之間的區別，就在於企業為每個細分子項所確定的具體效能數值不同。

舉例：

直到2021年，中國國標：GB11551、GB20071、GB37337、GB20072、GB31498沒有強制要求乘用車配備安全氣囊，但是在6大碰撞測試機構的多個子項評價指標中，都必須採用安全氣囊才能達到合格分數。

所以直到2021年，仍然有某些企業採用國標作為一部分車型的產品安全標準——比如五菱。

五菱的一部分車型至今沒有配備安全氣囊，這樣的車型一旦發生中高速碰撞，乘員臉部將會直接撞擊到方向盤/儀表臺，對乘員的頭面部所造成的永久性傷害遠大於有安全氣囊的車型。

三、車企如何實現更高等級的車身結構安全效能？

在車身結構安全（A1子系統）方面，車企需要採用以下三個方面的技術措施來提高對乘員的安全保護效果：

（1）設計合理的傳力路徑與車身框架結構；

①透過對不同剛度材料與框架方式的最佳化組合，設計有效的傳力路徑，減小乘員艙的擠壓機率；

②設計有效的衝擊引導路徑，在發生危害性較大的小偏置碰撞時，將外部撞擊物體、輪胎/輪轂、電機、發動機、副車架等引導/滑脫至主體框架結構或者乘員艙外部。

③車身前後部設定合理的潰縮相容區，並透過模擬模型進行撞擊時間核算，使乘員受到的鞭打加速度、鞭打時間都在安全數值以內，避免乘員的頸部受到致命傷害。

（2）採用可靠的車身材料連線工藝；

合理的車身連線工藝，才能保證材料的機械效能不受破壞或損失，提高整體結構強度。常見的先進連線工藝包括SPR自衝鉚接、FDS流轉熱熔連線、Laser鐳射焊接等。

對連線工藝的合格率要求越高，連線工序所使用的配套裝置就越昂貴。

所以不同的車企雖然會採用同樣的工藝，但是在它們的白車身車間中，所使用的連線工藝配套裝置的價格，可能有著一倍以上的差距，這就會直接造成工藝良率與可靠性的差別。

（3）選用合理的車身材料組合；

這是最容易被普通消費者直接感知到、車企最常宣傳、“車評人”最常提起、消費者最容易被誤導的一個要點，下一節就介紹這點內容。

四、車企如何選用合理的車身材料組合來實現車身結構安全目標？

在三。（1）、三。（2）的基礎之上，車企在選用車身材料組合時會考察以下2個方面因素：

1。 材料強度與剛度：

兩個關鍵考察指標：

（1）材料的屈服強度；

這一點是很多車企會誤導宣傳的地方。

材料的強度指標分為兩種：屈服強度、抗拉強度。

從力學特性上分類，材料可以分為以下型別：

①彈性材料：鋼材、鋁合金、橡膠等；

②塑性材料：某些複合材料（其特性如同橡皮泥/麵糰）；

③脆性材料：玻璃、陶瓷等。

對於彈性材料（鋼材、鋁合金）而言，在遭受外力撞擊/擠壓之後，它的吸能/變形過程分為三個階段：

①彈性形變階段（胡克定律）：

在該階段，當外部撞擊力消失後，材料會恢復原有的尺寸與形狀；

②塑性形變階段：

在該階段，材料內部的晶體結合微觀結構被嚴重破壞，當外部撞擊力消失後，材料無法恢復原有的尺寸與形狀；

③斷裂。

屈服強度，就是材料在遭受外力撞擊之後，“彈性形變”與“塑性形變”兩個階段之間的臨界點；

抗拉強度，就是材料發生“斷裂”時的臨界點。

在“屈服強度”這一個臨界點之前，外部撞擊的能量絕大部分轉化為彈性勢能而沒有被材料吸收；

從“屈服強度”這一個點開始，外部撞擊的能量絕大部分轉化為材料的內部熱能，直到發生“斷裂”；從“屈服強度”到“抗拉強度”這之間的一個破壞程度的劣化過程，就是材料大量“吸能”的過程。

所以，當某種材料的“屈服強度”與“抗拉強度”具有明確界限，可以區分測量時，這種材料內部的不可恢復性結構破壞就是從“屈服強度”這個臨界點開始。

在這種情況下，“屈服強度”這一個臨界點就是表徵這種材料強度的準確指標（而不是“抗拉強度”）。

屈服強度、抗拉強度同時又與材料的另一個重要特性有關：材料的“脆性”。

屈服強度÷抗拉強度 之比值 = “屈強比”。

“屈強比”越小，表示“屈服強度”與“抗拉強度”之間的距離越遠，材料大量“吸能”的過程與時間越長 → 也就是表示，材料的“脆性”越低。

從而，就引出鋼材料、鋁合金這兩種材料的一個重要特性差別：

鋼材料的屈服強度小於抗拉強度 → 鋼材料的“屈強比”較小 → 鋼材料的“脆性”較低 → 在發生高速碰撞/猛烈碰撞/重型車輛碰撞時，鋼材料不容易發生“突然斷裂”；

鋁合金的屈服強度與抗拉強度基本接近 → 鋁合金的“屈強比”較大 → 鋁合金的“脆性”較高 → 在發生高速碰撞/猛烈碰撞/重型車輛碰撞時，鋁合金可能會發生“突然斷裂”。

所以，當某種材料的“屈服強度”與“抗拉強度”可以區分測量時，那麼在評價材料的強度指標時，預設使用屈服強度作為其效能依據；

當某種材料的“屈服強度”與“抗拉強度”沒有明確界限，無法區分測量（只能測量出“抗拉強度”）時，那麼在評價材料的強度指標時，則使用抗拉強度作為其效能依據。

而某些車企/“車評人”在對外宣傳時，卻一律將所有材料的抗拉強度作為其效能指標（即使這種材料的“屈服強度”與“抗拉強度”可以區分測量，並有明確的檢測數值），在這種情況下，普通消費者就容易被誤導。

汽車使用的高強鋼的屈服強度/強度為217Mpa～2000Mpa之間（與牌號相關）；

汽車使用的鋁合金的屈服強度/強度在60～530Mpa之間（與牌號相關）。

（2）材料的剛度：

主要取決於材料的彈性模量（楊氏模量）與材料的截面積，

①為了達到預先設定的材料剛度，有兩種可行方式：

a。選擇彈性模量更高的材料；

b。增加材料的截面積——也就是增加材料的厚度。

②當材料的彈性模量越小時，為了達到指定的剛度指標，則材料的截面積就需要做到越大——也就是材料的厚度需要做得更厚。

③這就是為什麼在汽車車身中同樣的位置，如果採用鋁合金材料，就必須要比鋼材料做得更厚：

高強鋼的彈性模量是205Gpa～245Gpa；

鋁合金的彈性模量是65Gpa～80Gpa；

鋁鎂合金的彈性模量是38Gpa～43Gpa。

所以，車身中如果採用鋁合金材料，厚度需要做到2mm～5。6mm才能保證基本的剛度要求；

車身中如果採用高強鋼材料，厚度只需要做到0。7mm～2。3mm，就能保證較高的剛度要求。

2。 材料輕量化：

在滿足預先設定的強度與剛度指標的前提下，儘量實現更好的輕量化效果。

（1）關鍵點：輕量化 ≠ 鋁合金化。

鋁合金的密度為2。7～2。8，高強鋼的密度為7。8～7。9；

由四、1。中內容可知，鋁合金的屈服強度為高強鋼的1/6～1/4，

鋁合金的彈性模量為高強鋼的1/4～1/3，也就意味著在同樣的剛度要求下，鋁合金材料的厚度需要達到高強鋼材料的3倍左右，

根據牌號的不同，鋁合金的價格在高強鋼的2倍以上，高牌號的鋁合金價格在高強鋼的5倍以上。

所以，在強度/剛度、總價、重量這三個變數中，保持總價不變，則高強鋼可以更高地實現（強度/剛度↑+重量↓）這個目標函式。

這主要是得益於鋼材行業的較快技術進步+鋁合金行業的緩慢技術進步，

導致鋼材在價格持續下降的同時，達到了超高的強度與剛度；

而鋁合金在價格緩慢下降的同時，強度與剛度沒有明顯的技術提升。

（2）所以，在10年前，全鋁車身是實現輕量化的首選方向；隨著技術發展，從2017年開始，各大主流車企包括奧迪、凱迪拉克、寶馬、賓士、大眾、沃爾沃、捷豹、福特等都將鋼鋁混合車身或者鋼車身作為輕量化的技術方向。

3。 一種特殊材料的前景：碳纖維複合材料（CFRP）

（1）碳纖維複合材料（CFRP）是一種比“高強鋼”和“鋁合金”的優點與缺點都更加突出的車身材料。

①優點：

密度比“高強鋼”和“鋁合金”更小，是高強鋼的1/4；

強度可達3000Mpa以上；

碳纖維（CFRP）在分子結構層面與（“高強鋼”、“鋁合金”）完全不一樣：“高強鋼”、“鋁合金”的力學特性具有各向同性，而碳纖維（CFRP）的力學特性具有各向異性，碳纖維（CFRP）單層沿纖維方向的力學效能顯著高於垂直纖維方向的力學效能（剪下效能）。

因此，為了達到預先設定的剛度指標，碳纖維（CFRP）不需要像（“高強鋼”、“鋁合金”）一樣透過加厚來實現，而是透過設計合適的單層碳纖維鋪設角、鋪設比、鋪設順序來實現，從而可以達到比（“高強鋼”、“鋁合金”）更好的（高強度+輕量化）效果。

②缺點：

a。昂貴；

碳纖維（CFRP）價格比鋁合金更高，價格在高強鋼的4倍以上。

b。維修困難，碰撞後需要更換結構件的機率大，維修費用比鋁合金更高。

（2）所以，目前車企僅在不需要考慮成本的賽車中大規模採用碳纖維（CFRP）材料。在乘用車型中，採用碳纖維（CFRP）的車型有兩種情況：

①一種是用於車身覆蓋件，不將其作為主要受力支撐件；

②另一種是用於車身框架結構，將其作為主要受力支撐件；如寶馬公司，在它的少數高階豪華車型中就是這種做法。

五、車身採用的材料包括哪些種類？

1。 鋼材料：

①軟鋼 LSS/MS（屈服強度＜217Mpa）：

IF鋼/低碳鋼；

②高強度鋼 HSS（屈服強度＞217Mpa）：

C-Mn鋼/BH鋼/HSS-IF鋼；

③超高強度鋼 UHSS（屈服強度＞500Mpa）；

④先進高強度鋼 AHSS（屈服強度＞600Mpa）：

雙相鋼/復相鋼/TRIP鋼/MS鋼/QP鋼/TWIP鋼；

⑤熱成型超高強度鋼（屈服強度＞1000Mpa）：

PHS1000/PHS1300/PHS1500/PHS1800/PHS1900/PHS2000（牌號數字分別代表屈服強度指標）。

2。 鋁合金：

（1）按牌號分為2系、3系、5系、6系、7系；屈服強度依次升高，目前量產的7系鋁合金最高達到530Mpa，但是汽車行業實際採用的7系鋁合金一般為屈服強度＜450Mpa，例如：蔚來採用的7系鋁合金屈服強度為293Mpa。

（2）按加工形式分為：

①。鑄造鋁合金；

②。變形鋁合金：

a。鋁型材；

b。鋁板材；

c。鈑金件。

3。 塑膠/纖維複合材料：

（1）工程塑膠：

PP、PUR、ABS、PA、PE等；

（2）纖維複合材料：

①玻璃纖維增強樹脂複合材料；

②碳纖維複合材料（CFRP）。

六、車身材料組合有哪幾種類型？

汽車白車身 = 主體框架結構件 + 車身外部覆蓋件（四門兩蓋）。

1。 車身外部覆蓋件部分：

一般採用鋼材+塑膠/複合材料；

少部分車型中，還採用一定比例的碳纖維（CFRP）材料。

2。 主體框架結構件部分：

在車身主體框架結構件部分，各種車型都是採用“鋼材（必選） + 鋁合金（可選）/鋁鎂合金（可選）/鎂合金（可選） + 工程塑膠（必選） + 玻璃纖維複合材料（可選） + 碳纖維複合材料（可選）”的材料組合方式。

按照鋼材料/鋁合金/碳纖維所佔的比例，車身框架結構主要分為四種材料組合型別：

①鋼車身（鋁合金比例＜40%）；

②鋼鋁混合車身（鋁合金比例為40%～90%）；

③全鋁車身（鋁合金比例＞90%）；

④碳纖維車身（碳纖維比例＞50%）。

在家用車型/民用車型中，

前三種為常見型別；

第四種類型極少。

七、車身材料組合方式的幾種型別舉例

如第六節所述，在車身主體框架結構件部分，各種車型都是採用“鋼材（必選） + 鋁合金（可選）/鋁鎂合金（可選）/鎂合金（可選） + 塑膠/複合材料（必選）/碳纖維（CFRP）材料（可選）”的材料組合方式。

1。 鋼車身（鋁合金比例＜40%）；

（1）各大車企的絕大部分車型都採用這種車身材料組合方式，

在這種組合方式中，提高車身結構安全性的主要途徑是：增加各種高等級強度鋼的比例。

兩個主要指標是：

①高強鋼（屈服強度＞217Mpa）在車身中的比例；

行業良好水平是＞65%，優秀水平是＞72%，一流水平是≥80%；小於60%則水平過低。

②熱成型鋼（屈服強度＞1000Mpa）在車身中的比例；

行業良好水平是＞13%，優秀水平是＞20%，一流水平是≥30%；小於7%則水平過低。

行業良好水平是熱成型鋼牌號≥PHS1000，優秀水平是牌號≥PHS1300，一流水平是牌號≥PHS1500。

熱成型鋼主要使用於車身結構傳力路徑的關鍵支撐部位，如A柱、B柱、頂橫樑、前防撞梁、前縱梁、後縱梁加強梁、上邊梁、底部門檻梁、車門內部防撞梁、底部地板橫樑等部位。

在國家主管部門釋出的行業規劃中，車身採用先進高強度鋼（屈服強度＞600Mpa）的比例要＞50%；到2025年，車身採用第三代先進高強度鋼（屈服強度＞800Mpa）的比例要＞30%。

（2）舉例：

在車身結構安全方面達到行業最高水平的沃爾沃，在其大部分車型中，高強鋼（屈服強度＞217Mpa）在車身中的比例為80%，熱成型鋼（PHS1600，屈服強度＞1600Mpa）在車身中的比例為31%～40%。

嵐圖、漢的熱成型鋼比例約30%（牌號PHS1300），邁騰的熱成型鋼比例為27%，福特mach-e、大眾ID4的熱成型鋼比例約25%，奧迪e-tron的熱成型鋼比例約22%，領克02的熱成型鋼比例為16%，寶馬ix3的熱成型鋼比例約15%，領克01的熱成型鋼比例為12%，賓士A級的熱成型鋼比例為9。5%，長城VV7的熱成型鋼比例為8%，牌號基本都為PHS1000。

反面典型：五菱/寶駿的大部分車型高強鋼比例＜60%，有一部分車型的高強鋼比例甚至＜50%；熱成型鋼的比例＜7%甚至＜5%，在中高速碰撞時A柱很容易彎折侵入乘員艙，威脅車內乘員的安全。

（3）鋼車身達到的扭轉剛度最高水平：＞50kNm/deg。

2。 鋼鋁混合車身（鋁合金比例為40%～90%）；

（1）由於鋁合金材料的維修經濟性較差，發生側面低速/中高速碰撞、正面中高速碰撞、尾部中高速碰撞後，維修費用高於鋼車身，因此，採用鋼鋁混合車身方式的車企，都使用“上鋼下鋁”的結構——也就是車身上部及側面（容易受到撞擊的部位）採用高強鋼材料，車身底部（不容易受到撞擊的部位）採用高強鋼+鋁合金材料。

對鋼鋁混合車身的安全效果影響比較大的一個難點是：

由於高強鋼和鋁合金的材料屬性差別較大，因此對車身連線工藝水平的要求很高，高良率配套裝置的價格也比較昂貴。在這方面，歐美車企由於採用鋼鋁混合車身的時間較早，它們的連線工藝成熟度比較高。

主要指標：

由於鋁合金全系的屈服強度都低於超高強鋼的屈服強度，並且上部車身（碰撞事故中的主要傳力路徑）為鋼材料，因此和七。1。（1）採用同樣的評價指標，只不過每個級別的比例門檻值相應下調。

（2）舉例：

埃安V、埃安LX、特斯拉Model 3/Model Y、愛馳U5、極狐αT、奧迪（一小部分車型）、凱迪拉克（一小部分車型）、捷豹（一部分車型）。

反面典型：理想one的車身採用鋁合金的比例僅為2。4%，卻在宣傳中稱為“鋼鋁混合車身”，李想確實讓理想這個企業沿襲了汽車之家的指鹿為馬的風格。

（3）鋼鋁混合車身達到的扭轉剛度最高水平：＞50kNm/deg。

3。 全鋁車身（鋁合金比例＞90%）。

（1）為了達到與鋼車身接近的強度/剛度，全鋁車身的各處結構支撐件都必須做得比鋼車身更厚。

在發生側面低速/中高速碰撞、正面中高速碰撞、尾部中高速碰撞時，鋁車身的可維修性較低，大部分情況下需要整體更換結構件，維修費用高於鋼車身。

因此，隨著鋼材行業的快速技術進步，2017年之後，各大國際車企都將輕量化技術發展方向改為了鋼鋁混合車身或者鋼車身。

全鋁車身的種類包括兩種：

鋁型材車身，鋁板材車身。

（2）舉例：

鋁型材車身：奇瑞螞蟻；

鋁板材車身：蔚來。

（3）全鋁車身達到的扭轉剛度最高水平：＜45kNm/deg。

4。 第四種：碳纖維車身（碳纖維（CFRP）結構件比例＞50%）在民用車型中應用極少，如寶馬的少數高階豪華車型採用這種結構。

如果碳纖維的生產成本與維修技術能夠實現大的突破（目前在鋼車身的4倍以上），那麼碳纖維車身作為一種安全效能最優秀的車身結構，在成本大降/維修技術進步的那個時間點，它就有可能會普及到民用車型中。

5。 以上四種車身結構組合方式的共同點

不管哪一種車身結構組合方式，都是透過完善的車身傳力路徑設計，在適當的受力點選擇適當的材料（高強鋼、鋁合金、碳纖維），並反覆進行引數核算與實測，最終實現車身整體的結構安全目標。

6。 關於全鋁車身形式的幾點備註

（1）全鋁車身的應用思路主要是來源於國際老牌車企對於輕量化指標的極致追求：

在10年前，只有鋁合金能夠達到這個目標，但是鋁合金結構件的維修費用高，所以當年的幾家國際車企只將全鋁車身應用於高階豪華車型中，因為這種車型的使用者對於維修費用不太敏感。

所以，由於蔚來的車型使用者也是定位於對維修費用不敏感的使用者，它的這個選擇也無可厚非。但是奇瑞螞蟻的選擇就有一點錯位。

（2）由於鋁合金的屈服強度和彈性模量低於高強鋼，所以使用全鋁車身的車型有兩種選擇：

①不採用較厚的鋁合金樑柱支撐件，但是這意味著最終的某些車身結構引數無法做到太高。

例如：奇瑞小螞蟻，鋁合金沒有做到較厚，車身結構安全級別為普通水平。

②為了達到高等級的車身結構引數，將鋁合金樑柱支撐件做到較厚，但是這也意味著車身重量的增加（相對於不加厚的情況）、車身成本/維修成本的增加。

例如：蔚來EC6，採用較厚的鋁合金支撐件，車身結構安全級別達到較高水平。

（3）所以，幾年前在美國市場，全鋁車身車型剛剛面市之後，保險公司發現單次出險的平均費用高於其它車型，於是便提高了全鋁車身車型的保費。

（4）隨著寶馬、奧迪、賓士、特斯拉、捷豹、凱迪拉克等國際車企紛紛將技術方向轉向鋼鋁混合車身和鋼車身，蔚來的後續車型也會隨之調整方向。

八、車企如何對車身結構安全指標進行驗證

1。 驗證方式包括：

（1）CAE軟體仿真核算車身結構的動態引數、靜態引數；

（2）車企實驗室測試車身結構的動態引數、靜態引數；

（3）第三方碰撞機構測試車身結構的動態引數、靜態引數。

2。 在車身結構安全性的設計和驗證方面，各家車企的不同之處在於：

（1）大部分老牌歐美日韓車企、少部分國內車企自建的車身碰撞實驗室，其測試儀器和測試專案覆蓋並且多於中汽研C-NCAP、中保研C-IASI、IIHS、E-NCAP的所有測試專案；

（2）一部分國內車企/大部分中小車企自建的車身碰撞實驗室，其測試專案無法實現對以上幾大碰撞測試機構的全覆蓋（或者沒有自建的碰撞實驗室）。

3。 這種差異帶來的區別是：

（1）一部分車企由於自主擁有的碰撞實驗室的測試專案不全（或者沒有自建的碰撞實驗室），無法對車身結構安全指標進行全面實測驗證，就必須花高額經費頻繁送到第三方碰撞實驗室進行指標驗證。

但是為了節省研發費用，它們就有可能會將CAE軟體仿真核算的結果作為車身結構安全指標的驗證依據，而不是透過實際碰撞來驗證。

這就像風阻係數一樣，由於頻繁送測到第三方機構做風洞實驗需要花費高額經費，因此，某些車企就會使用軟體模擬的資料來代替風洞測試的實際資料。

（2）而另一部分自建擁有完善的車身碰撞實驗室的車企，則可以在研發驗證階段，在自建的車身碰撞實驗室中對車身結構安全指標進行頻繁的實車驗證，不需要外包送到第三方實驗室進行指標驗證，這就保證了各項設計指標的有效實現。