Koncepcja projektowa EV Docol®

W odpowiedzi na jedyne w swoim rodzaju wyzwania konstrukcyjne (Body-in-White) stwarzane przez akumulatorowe pojazdy elektryczne, SSAB opracowało, „wirtualną platformę”, by pomóc wspierać nową generację rozwiązań projektowych w oparciu o stale o podwyższonej wytrzymałości (UHSS) Docol®.

OBEJRZYJ KRÓTKĄ ANIMACJĘ

Wirtualna platforma do rozwiązań projektowych EV

Koncepcja projektowa Docol EV pokazuje sposoby na opłacalną poprawę bezpieczeństwa, ciężaru i wykorzystania miejsca w pojazdach elektrycznych, optymalizację geometrii nadwozia z wykorzystaniem stali AHSS w najważniejszych punktach ścieżek obciążenia. Koncepcja EV aktualnie dotyczy innowacyjnych pomysłów na:
  • obudowy akumulatora EV wykonane ze stali AHSS walcowanych w 3D
  • optymalizację poprzecznych belek podłogowych w celu zminimalizowania zgniotu pakietów ogniw EV w czasie zderzenia
  • oraz optymalizację belek pochłaniających energię dla nadproża EV (profil progowy)

Redukcja wysokości obudów baterii EV z wykorzystaniem profili walcowanych w 3D

Prototyp obudowy baterii EV
Rysunek 1: W tym częściowym prototypie obudowy baterii wykorzystano kluczowe pomysły wzięte wprost z Koncepcji Projektowej Docol EV: pochłaniające energię nadproża (tutaj widoczne po teście zderzenia bocznego); przekazujące energię poprzeczne elementy podłogi i walcowana w 3D konstrukcja nośna baterii (patrz rysunek 2 poniżej). Test zderzenia bocznego wymaga, by nie było żadnego zgniotu w strefie pakietu baterii. Najmniejszy dopuszczalny ciężar dla tej obudowy wynosi 75 kg przy pakiecie baterii o wymiarach 1742 x 1320 x 120 mm.
 Widok rozstrzelony projektu obudowy Koncepcji Docol EV
Rysunek 2: Widok rozstrzelony projektu obudowy Koncepcji Docol EV.
Wyjątkowym komponentem Koncepcji Projektowej Docol EV w zakresie obudów baterii jest niższa konstrukcja nośna wykonana z profili walcowanych 3D ułożonych w siatkę. Siatka zachowuje określoną odległość między dolną płytą obudowy a podstawą akumulatora, zapewniając wystarczającą ochronę baterii przed uderzeniami z kierunku Z (to jest, uderzeniami wypadkowymi, pochodzącymi spod samochodu).
Jeśli wykonałeś siatkę za pomocą profilu walcowanego 2D, który jest prostopadły do podobnego profilu 2D, podwajasz wysokość siatki. Ten problem można wyeliminować z wykorzystaniem technologii walcowania 3D. W maszynie walcującej 3D, w procesie walcowania rolki mogą przesuwać się we wszystkich kierunkach. Tak więc można utworzyć jedną część profilu, która jest sztywna i drugą część, która jest elastyczna, jak pokazano na rysunku 3. Następnie jeden profil można umieścić prostopadle do drugiego podobnego profilu — który jest odwrócony dołem do góry — bez podwajania wysokości w kierunku Z.
Rendering 3D przedstawiający konstrukcję obudowy baterii
Rysunek 3: Niebieskie belki poniżej przedziału pasażera widoczne na tym rysunku znajdują się u dołu konstrukcji „siatki” obudowy baterii — wykonane z ułożonych krzyżowo belek walcowanych w 3D ze stali Docol 1700M (martenzytycznej). Profile w kierunku X są takie same jak w kierunku Y, ale odwrócone dołem do góry aby dwukrotnie zmniejszyć wysokość siatki.
Technologia walcowania 3D i zdjęcie z Ortic AB of Borlänge
Rysunek 4: Technologia walcowania 3D i zdjęcie z Ortic AB of Borlänge, Szwecja. www.ortic.se
Ponieważ rowki są ustalone wzdłuż całej długości belek, ścieżki obciążenia w kierunkach X oraz Y są nieprzerwane i dlatego najbardziej wytrzymałe. Produkcja walcowania 3D jest w pełni elastyczna, co oznacza, że odległość pomiędzy każdą belką poprzeczną konstrukcji nośnej można zmieniać za pomocą oprogramowania maszyny walcującej 3D. Walcowanie 3D jest efektywne kosztowo i wysoce elastyczne — umożliwia ono również wykorzystanie materiału w bardzo wysokim stopniu.

Podstawa obudowy baterii jest wykonana ze stali miękkiej, wyciągnięta tak, by utworzyły się całkowicie pionowe (90°) ścianki boczne, co optymalizuje wykorzystanie miejsca na pakiet baterii. Podstawa dodatkowo chroni ogniwa baterii przed przeciekaniem do otoczenia w momencie uderzenia w czasie wypadku.

Rama wokół podstawy baterii zapewnia ochronę przed uderzeniami jak również stabilizuje konstrukcję. Wyprofilowane boki ramy są wykonane ze stali martenzytycznej Docol 1700Mpa i wytwarzane przy użyciu konwencjonalnego walcowania 2D, z ekonomicznymi, odlewanymi narożnikami łączącymi cztery boki.

Projektowanie belki AHSS pochłaniającej energię dla konstrukcji progowej pojazdów EV

W przeciwieństwie do samochodu z silnikiem spalinowym, pojazd EV musi pochłaniać więcej energii poprzez profil progowy samochodu. Dlaczego? Ze względu na 1) ciężar baterii pojazdu EV, 2) sztywniejsze podwozie pojazdu EV i 3) wymóg, aby w razie wypadku żaden zgniot nie był możliwy w strefie pakietu baterii pojazdu EV. Wyciskane aluminium w profilu progowym było postrzegane jako skuteczny sposób pochłaniania wyższych poziomów energii, jednak wiązało się z wysoką ceną.

Aby spróbować dopasować wyniki dla wyciskanych aluminiowych nadproży, firma SSAB przeprowadziła symulacje dla nadproży walcowanych w 2D, wykonanych ze stali Docol CR 1700M. Stop aluminium to EN AW-6082 T6 o grubości 4,5 mm dla ścianek zewnętrznych i 3 mm dla żeber wzmacniających.

Liczba możliwych wzorów nadproży w przypadku walcowania 2D jest nieograniczona, a więc wyniki podane na rysunku 6 dotyczą tylko niektórych typowych projektów. (W SSAB przeprowadzono o wiele więcej symulacji dla różnych profili belek progowych, jednak wszystkich tu nie pokazano).
Symulacja testu uderzenia bocznego
Rysunek 5: Symulacja testu zderzenia bocznego: słup wsuwa się w strukturę progu, gdzie belki ze stali Docol CR 1700M muszą wykazać się swoją efektywnością pochłaniania energii.

Wykres przedstawiający siłę w zależności od przemieszczenia dla dziewięciu różnych profili Docol 1700M
Rysunek 6: Wykres siły w zależności od przemieszczenia dla dziewięciu różnych profili Docol 1700M dla belek używanych w konstrukcji nadproża/profilu progowego EV. Aby obejrzeć profile nadproży wykorzystanych w tym teście, włącznie z profilem o najlepszej charakterystyce, skontaktuj się z Docol.
Grubość ścianek dla każdego projektowanego profilu jest dopasowywana tak, by ciężar belki progowej ze stali Docol 1700M był taki sam, jak dla aluminiowej belki progowej 6082 T6.

Symulacje siły w zależności od przemieszczenia pokazują, że przekrój poprzeczny dla stali AHSS musi przedstawiać pewien rodzaj elementu żebrowego, aby działać prawidłowo. Dlatego wszystkie te profile posiadają pewien rodzaj struktury wewnętrznej. Starając się utrzymać koszty i złożoność produkcji na niskim poziomie, wiele symulacji wykonano z wykorzystaniem zespawanych ze sobą rur o kwadratowym przekroju poprzecznym.

Podejście dla zespawanych rur o kwadratowym przekroju wydaje się działać poprawnie, jednak przylegające żebra mają podwojoną grubość. Oraz, zgodnie z wynikami symulacji, grubość powłoki zewnętrznej profilu jest znacznie ważniejsza od grubości żeber.

SSAB określiła który profil — z pojedynczymi żebrami — pozwala na grubsze ścianki zewnętrzne i zapewnia odporność zderzeniową podobną do tej dla belki aluminiowej, o jednakowym ciężarze dla obydwu materiałów.

Czy pochłanianie energii przez belkę nadproża/profilu progowego ze stali Docol 1700M AHSS skutkowałoby tym, że wytrzymają one deformacje zderzeniowe bez pękania? Pierwsze prototypy Docol wykazują, że mogłyby wytrzymać. Jednak, wszystkie te profile rur o kwadratowym przekroju wymagają pewnego rodzaju spawania, dlatego SSAB potrzebuje przeprowadzić dalsze testy, by określić, czy spoiny belki są wystarczająco plastyczne, aby poradzić sobie z deformacją bez pękania.

Projektowanie poprzecznych elementów podłogi AHSS dla zapewnienia wydajnego przenoszenia obciążenia zderzeniowego

Najwydajniejszym sposobem zabezpieczenia pakietu ogniw pojazdu EV przed zgniotem podczas zderzenia bocznego jest upewnienie się, że elementy poprzeczne znajdujące się bezpośrednio pod podłogą przedziału pasażerskiego nie ulegają odkształceniu. Dlatego elementy poprzeczne muszą być wytrzymałe i nie mogą w ogóle pochłaniać energii — natomiast powinny przenosić siłę uderzenia bocznego z jednej strony samochodu na stronę przeciwną: patrz rysunek 7.
Celem uzyskania możliwie najlepszego stosunku wytrzymałości zderzeniowej/masy/kosztów, elementy poprzeczne muszą być wykonane z cienkiego arkusza stali AHSS, co może stanowić wyzwanie, gdy stal jest używana w warunkach ściskania. (Patrz Poradnik Projektowania: Projektowanie i wytwarzanie konstrukcji ze stali o wysokiej wytrzymałości).

Belki poprzeczne o różnych profilach — jednak wszystkie wykonane ze stali Docol CR 1700M — były symulowane przez SSAB, co wykazało, że istnieją duże różnice ich możliwości. Startując od profilu kwadratowego, nasuwa się pytanie, jak duży powinien być promień. Czy duży promień przy umiarkowanym i bardziej rozproszonym obszarze utwardzania jest lepszy, niż mały promień przy wysokim lecz bardzo zlokalizowanym roboczym obszarze utwardzania? Poniższe wyniki symulacji, przedstawione na rysunku 8 pokazują, że 15 x t (promienie w mm razy grubość elementu poprzecznego) mają lepszą charakterystykę niż 1 x t. Grubość elementu poprzecznego ze stali Docol 1700M została tak dopasowana, by całkowity ciężar różnych profili belek był taki sam.
Dwie ilustracje przedstawiające ścieżki obciążenia przenoszonego przez belki wzmocnienia podłogi oraz konfigurowanie optymalizacji wzmocnienia.
Rysunek 7: Rysunek po lewej: Ścieżka obciążenia przenoszonego przez belkę wzmocnienia podłogi.
Rysunek po prawej: Konfigurowanie optymalizacji belki wzmocnienia.
Krzywe przemieszczenia siły dla poddanych symulacji belek wzmocnienia z Docol CR 1700M
Rysunek 8: Krzywe przemieszczenia siły dla poddanych symulacji belek wzmocnienia z Docol CR 1700M. Etykiety oznaczające promienie w mm razy grubość belki. Aby obejrzeć profile belek wykorzystanych w tym teście, włącznie z profilem o najlepszej charakterystyce, skontaktuj się z Docol.
Stale AHSS mają bardzo wysoką wartość punktu plastyczności i dlatego należy rozważyć zjawisko nazywane „wyboczeniem lokalnym” dotyczącym szerokich i cienkich elementów, które pracują na ściskanie: patrz Poradnik Projektowania SSAB. Jednym ze sposobów ograniczenia wyboczenia lokalnego jest zmniejszenie szerokości segmentów profilu za pomocą zastosowania rowka oraz zwiększenie poziomu wykorzystania materiału.

W sposób oczywisty z rysunku 8 wynika, że: 1) duży promień jest lepszy niż mały, i 2) rowki mają duży wpływ na wyeliminowanie wyboczenia lokalnego — wprowadzają więcej promieni, na które rozkładają się siły. Zauważalne jest, że profil, który ma jeden lub więcej rowków, ma rzeczywiście większą powierzchnię i musi mieć mniejszą grubość stali Docol 1700M w celu zachowania takiego samego ciężaru całkowitego.

Wyniki symulacji pokazują, że zoptymalizowany element poprzeczny może ponad dwukrotnie zwiększyć wydajność przenoszenia obciążenia zderzeniowego w porównaniu z profilem o kształcie kwadratu. Istotne znaczenie dla tego rozwiązania ma obciążenie szczytowe, a nie pochłanianie energii. W razie zderzenia, to obciążenie szczytowe nie może zostać przekroczone.

Co dalej z Koncepcją Projektową Docol EV?

Chcemy odwołać się do odpowiedzialności własnej producentów OEM, motywując ich do używania stali AHSS w konstruowaniu elementów o znaczeniu krytycznym w akumulatorowych pojazdach elektrycznych — przy jednoczesnym osiągnięciu takich samych oszczędności ciężaru, jak dla droższego aluminium czy innych materiałów intensywnie emitujących CO2.

chcemy również, by producenci OEM osiągali wyższe poziomy wykorzystania materiału AHSS, tak by mogli odczuć dodatkowe oszczędności. Udostępniamy konstruktorom samochodów symulacje AHSS, takie jak symulacje zderzeń bocznych, które pokazują w jaki sposób można poprawić wydajność krytycznych elementów zabezpieczających i jak podwoić wydajność poprzecznych elementów podłogi.

A na koniec chcemy pokazać nowe innowacyjne projekty oraz przedstawić metody produkcji z wykorzystaniem stali AHSS, na przykład walcowanie w 3D dla bardziej wydajnych przestrzennie obudów akumulatora EV. Innowacje, takie jak walcowanie w 3D AHSS w celu wytworzenia siatek krzyżowych, które pracują pod naciskiem, naprawdę otworzą myślenie projektantów na uzyskanie zmaksymalizowanej charakterystyki obciążenia osiowego — zarówno wzdłużnego, jak i poprzecznego.

Czy napotkałeś na wyzwanie projektowe BEV, które chciałbyś rozwiązać z wykorzystaniem stali AHSS? Nigdy nie jest zbyt wcześnie, by się z nami skontaktować i omówić swój następny projekt.