乘用車電動化經過市場近二十年的培育和發展，已形成潮流並正在席捲全球汽車製造業。據中國乘聯會2023年度報告，國內新能源汽車市場滲透率達到25.6%（全球為13.5%），與此同時，作為乘用車最大總成的白車身，出現了鋼製車身與鋼鋁混合車身並存競爭的局面，圍繞白車身開發的相關乘用車電動化技術如車身安全技術、舒適性技術、輕量化技術、智慧型製造技術等不斷湧現，整車及白車身總成的工程開發內涵和流程產生了變化。由於當前市場對續航里程、行駛安全、製造效率、單車成本、品牌效應等不斷追求以及更為開放的整車與車身開發流程，國內電動乘用車白車身結構整體體現了更好的效能，這對傳統車身零件數量多、拼接關係層級複雜、**鏈路長的車身製造過程造成衝擊。在鋼製薄板車身方面，高強鋼成形及溫/熱成形技術、管材內高壓成形技術、複雜薄板件雷射焊接工藝及先進連線技術等不斷推出，使車身結構件設計在零件級層面出現了一體式開發的趨勢。在工程塑料及碳纖維增強材料、鋁/鎂合金等輕量化材料的車身成形方面，薄板沖壓成形、注射成型、型材輥壓、擠壓成型、高壓壓鑄成型以及鋼鋁複合材料裝配連線技術等得到越來越廣泛的應用，車身結構件開發突破了原鋼製車身的限制，零件一體式程度擴充套件到車身級。其中高強鋼溫熱成形件、內高壓成形件、大型鋁/鎂壓鑄件由於其輕量化、高整合度、高剛性、高精度等優勢，在車身結構一體化設計中成為結構設計與製造工藝技術的創新焦點。車身結構中典型的接頭區域如鋁壓鑄避震器安裝座、鋁壓鑄後地板、鋁壓鑄前底板、擠壓件門檻縱樑、內高壓成形a柱、超高強鋼熱成形b柱、高強鋼一體溫成形避震器安裝座等逐步得到廣泛應用。同時乘用電動車採用以動力電池包裹的底盤、車身和整車整合結構，如電池包（celltopack，ctp）、電池車身一體化（celltobody，ctb）、電池底盤一體化或電池整車一體化（celltochassisorcelltocar，ctc）以及滑板式底盤結構。上述新工藝、新材料、新結構的規模化應用趨勢不僅提高了車身在整車開發過程的重要性，還對車身開發的技術整合度、工程複雜度的應對提出更高要求，無論是在產品級還是專案級上，要求開發團隊在產品設計與驗證、開發成本與週期上更應系統的考慮。車身一體化定義方面，根據現有研究進展，狹義的車身一體化表現為產品結構與其承擔功能一體化，即車身整合化，主要指利用車身材料和相關工藝的最新成果，開展白車身及其零部件整合化研究與應用以獲得輕量化、高精度、結構力學、批量可製造性等綜合性指標優良的設計開發。其主要特點：利用第一性原理，採用盡可能少的材料與統一工藝實現複雜產品功能的設計與製造。廣義的一體化概念包含3個層面的內容，即材料與工藝、產品與裝備、產品與商品的高度整合，涉及整個開發流程的各個方面。極氪汽車通過第一性原理嘗試用盡可能多的真實材料建立材料基因和各種物性的關聯式資料庫，能為量產應用提供快速選材依據。蔚來汽車採用回型、蛇型測試方法開發免熱處理材料，以保證鋁合金材料效能達標，並通過開展料片級、白車身級、整車級試驗驗證，推動一體化壓鑄工藝在其二代車型上量產應用。鋼鐵研究總院開展高強度高塑性鋼熱成形工藝應用研究，其開發的中錳鋼成形技術在一體式側圍零件製造中得到應用，並推動了零件一體化的低碳技術開發。壓鑄機和壓鑄模等大型壓鑄裝置單元是一體化成型技術實現的前提，極氪汽車開發了三段抽真空結構，確保真空度小於50mbar。結構件有抗拉強度、屈服強度和伸長率等力學效能的要求，對夾渣、縮孔、氣孔等壓鑄缺陷敏感，所以對模具真空度的要求更高。目前關於流程優化方面的報道較少，現結合某電動化乘用車專案，從整車（車身）開發流程和鋁合金壓鑄一體式零部件質量控制方面進行分析，提出壓鑄件質量問題的解決對策和開發流程優化建議，並研發一種基於成熟度評價的面向過程控制的車身一體化快速開發方法。鋼製車身本質上也是一體化開發的體現，經歷多年的發展形成了體系健全、技術成熟的製造產業鏈，在當前先進用鋼（高強鋼、超高強鋼、吉帕鋼等）及其成形技術的推動下，鋼製車身依然是一體化開發的重要方向。相對而言，輕合金材料面臨快節拍大批量製造工藝方面經驗積累少、裝置成本高、過程控制複雜、碳排放環境壓力等問題，成為現有開發流程應對快速演變複雜系統的挑戰，但也是流程更新公升級的機遇。當前整車開發流程被各主機廠作為核心競爭力進行重點投資，包括從產品規劃、概念設計、工程開發、試製試驗、生產匯入、批量生產到售後服務階段等全過程，需要設計、研發、測試、製造、銷售、售後等部門有序組織和協調。複雜產品的開發流程是以串聯工作流為基礎，串聯系統中某一環節的變化影響整個系統的過程輸出，最終對開發質量目標造成衝擊。尤其是開發流程中後期的工程設計變化將對開發過程的工作負荷、開發周期、專案投資、管理維度構成挑戰，如圖1所示的曲線i。統計資料表明：產品的設計開發成本雖然僅佔總成本的10%~15%，但決定了總成本的70%~80%，為有效控制成本、縮短開發周期、更快速響應市場變化，在專案實踐中，更為激進的開發流程逐步將關鍵的設計內容往前期移動。開發專案的前期階段具有2個顯著特點：①開發資訊殘缺性（不完整）；②多方案探索可能性。資訊殘缺性使得開發工作對可用資源的依賴性特別突出，包括主機廠內部資源和外部合作方資源，要求開發流程具備整合資源的卓越能力；多方案探索性是指達成目標存在多個可行方案，要求開發流程能支撐多方案的評價和決策，充分發揮設計階段在整個開發過程中的重要作用。
針對車身一體化開發難題，面對前期開發資訊殘缺性特點提出前期開發框架，如圖2所示，在整車（車身）開發的概念設計階段，主機廠聯合行業或**鏈體系組建車身一體化預研團隊。預研團隊以開發具有較高成熟度車身一體化方案為目標，總結和分析一體化（指鋁合金壓鑄模工藝及其系統）行業最新成果，構建專業資料庫，如最佳實踐、量產經驗教訓、量產案例庫等，通過關鍵總成選取並結合零部件設計和**分析進行多方案探索，擇優開發零部件模具並試製物理驗證總成，形成設計、**驗證、改進的閉環開發機制。所有可行方案經成熟度評價後形成指導後續專案開發的資料庫，而符合專案目標的一體化方案將作為預研交付物並成為後續開發流程的輸入性工程檔案，在後續實物開發過程中提供支撐，縮短設計及產品驗證階段的時間。車身一體化開發流程如圖3所示，車身開發目標在前期得到充分的討論和定義，並貫徹專案各個環節，避免中後期成本高昂的工程調整，同時原開發流程中期才能進行的結構設計工作，在預研階段可以得到更多的基於製造工藝的可製造性研究，一方面減少中期建模所需的時間，另一方面也節省了結構優化所需的多部門協同和cae算力需求。
典型白車身一般由300~500個薄板件經點焊拼接而成，因零件數量多、製造鏈路徑長、減輕質量壓力大等特點一直制約行業發展，輕量化材料及其成形和連線工藝的發展創造了解決條件，但是由於鋁/鎂合金壓鑄工藝及裝備的高度複雜性和較高的投資門檻，制約了一體化車身零部件的規模化應用。以高強鋼材料為主的一體化結構由於受零件形狀和成形尺寸的限制，無法進一步提高一體化設計的整合度水平。以特斯拉為代表的中高階電動化乘用車市場的興起推動了大型零部件一體化製造，規模化消減了壓鑄工藝及裝備本身帶來的不足，使得一體化結構設計水平在實踐中得到提公升。相比典型的鋼製車身，一體化設計車身結構在零件數量、白車身製造工序上得到了較大幅度的簡化，降低了相關的工裝裝置開發和投入，但是從車身產品效能要求、產品質量保證、製造系統的複雜性、製造成本控制等方面考慮，一體化設計仍然是乙個高度複雜的系統過程，在較多方面更具挑戰性，因此對一體化設計方案的評價也將根據產品全流程開發需求進行綜合考量。在鋼製車身結構設計評價內容的分析基礎上，通過案例的開發，研究了一體化壓鑄工藝對一體化設計的影響。在專案前期階段預研中選擇前機艙總成區域、後地板總成區域作為一體化開發物件，零件如圖4所示，後地板外形尺寸：1560mm×1570mm×480mm，質量46.43kg；前機艙外形尺寸：967mm×1604mm×771mm，質量43.23kg。初步分析認為後地板總成只需要承受追尾衝擊（車身安全測試專案），行駛時的車輪震動通過副車架承受，因此對結構設計要求相對簡單；前機艙需要承受碰撞多重衝擊考驗，對鑄件效能要求比後地板高；尺寸影響方面，壓鑄過程填充末端的伸長率可能下降較多，後地板填充末端位於橫樑處，需要**分析判斷其可接受程度。根據案例發現，前機艙填充末端位於門檻梁連線處，可能會影響產品效能。圖5所示為前機艙壓鑄鋁生產工藝流程，主要包括生產準備、壓鑄成型、鑄件後處理等關鍵流程，其中後處理過程涉及零件（鑄件）溫度、取件、存放等變化因素。實際生產會遇到包括零部件變形、內部質量不緊緻等問題，需要根據預研及設計階段的資料狀態，結合實際工藝狀態進行故障源診斷與分析，常見生產問題及對策（部分）如表1所示。以前機艙壓鑄件為例，前機艙總成是由左右2個一體化壓鑄件（懸架避震器塔型支撐座）與前隔板及下連線橫樑組裝，連線長度超過2m，根據其幾何規範要求，尺寸控制難點多，塔包與縱樑連線區域要求輪廓度0.15mm，因為匹配件精度較高，規定了連線區域的平行度公差。實際零件狀態區域性區域與設計要求存在偏差，根據實際零件測量及相關性分析，發現偏差在同一區域具有關聯性，因此偏差可能出現在模具成型、時效處理及矯形3個工藝步驟。通過掃瞄各個工藝步驟零件形狀尺寸，可以確定在時效處理階段。該零件在時效處理時採用了橫置式簡易支架作批量處理，補充時效溫度+時效時間，零件的遠端正好是偏差發生區域。經過不同支架零件時效試驗對比，區域性偏差得到改善。此問題的處理也表明時效處理不僅僅是材料組織的改善，同時也是零部件尺寸質量的重點工位，需要在前期設計時重視。
在預研階段的一體化總成相關產品資料依然資訊不全面，所確定的目標具有定性的概念性質，尚需要在cae階段進行估算。預研內容為制定子系統技術規範準備了基本的邊界條件，以支援開發流程後續階段順利開展。為了進一步量化設計方案的“定性”性質，支援預研階段多方案探索以及後續階段（包括詳細結構設計及實物階段等）的設計總結和優化，前期階段用成熟度作為衡量一體化設計水平指標，開發了設計方案成熟度評價方法。設計方案成熟度按4個維度的內容進行評估，即設計可靠性、設計效能指標、設計技術缺陷和設計完成度。成熟度計算如下：
其中，csd為某一體化方案的成熟度分值；e(n)為第n個成熟度指標所對應的成熟度分值；w(n)為該指標的權重係數，n≥1，n為指標包含的因素，每個因素具有相應的成熟度數值；p為評價成熟度包含的指標數，現階段主要包括結構設計可靠性、結構設計效能、設計技術缺陷、設計完成度4個指標，各指標內容及包含的影響因素如表2所示。成熟度高的一體化結構設計在材料使用效率、製造成本、製造過程穩定性、零部件服役效能等方面具有更好的表現。
由於一體化車身件在高精度、減輕質量、減少工藝環節等方面的優勢，以鋁合金壓鑄成型、高強鋼溫成形為代表的輕量化技術在車身上得到廣泛應用，推動車身輕量化材料、車身結構設計、產品開發流程方面的技術進步。不同於鋼製車身相對成熟的製造環境，以輕量化合金壓鑄工藝為基礎的一體化設計方案實施涉及材料開發、製造工藝和裝備開發等全生產環節的考量，現從開發流程方面對壓鑄鋁為代表的一體化車身前期開發進行梳理，通過針對多方案探索的成熟度評價方法提高一體化開發效率，建立適合一體化車身開發的資料庫和流程架構，使得整車開發流程具備快速響應市場需求的能力。當前基於輕量化合金壓鑄工藝的一體化開發方興未艾，車身結構整合度不斷提公升，挑戰也將是前所未有，未來將繼續直面產業技術瓶頸問題，期望在如下方面持續開展工作。（1）研究相關的低碳短流程工藝將是未來車身輕量化的主要工藝方向，一體化模組化多材料混合車身逐漸進入主流整車方案，基於材料-工藝-結構的設計開發方法，將為新材料的應用提供支撐。（2）傳統壓鑄方式主要利用熱處理提公升材料強度，但大型零部件熱處理困難，超大型零部件無法進行熱處理，且熱處理後易變形、矯形困難、良品率低。為達到壓鑄工藝需求和免熱處理效果，在鋁合金材料生產工藝過程中加入一定比例的矽、鎂、銅、鐵、錳、鋅等元素，開發免熱處理鋁合金材料。免熱處理鋁合金材料在不熱處理時可用於複雜薄壁件生產，熱處理後可用於高強耐熱部件生產。隨著企業對零件高強耐熱性能的要求不斷提公升以及全車鋁合金件採用同系材料，便於鋁合金材料**，實現低碳環保的追求，新型免熱處理高強高塑高流動性的一體化成型鋁合金材料將成為未來發展趨勢。（3）一體化零件壓鑄成型過程中，為解決鋁液純淨度、微觀組織異常、鑄造缺陷等典型的技術難點，針對性地開發流變壓鑄成型新技術，提公升鋁合金凝固過程的組織效能，保證產品質量達標，成為大型薄壁鋁合金壓鑄成型新思路。（4）壓鑄鋁合金模具維護成本高。因為受交變溫度場影響，接觸產品區域的型芯容易疲勞損壞，同時結構件普遍深腔較多，筋條較深，導致模具大部分深筋部位熱處理的淬透性差，所以採用區域性鑲拼方式，提高模具零件的淬透性和延長使用壽命，但仍需要在模具零件材料選擇、模具溫度控制、模具結構優化、可再生模具技術等方面開展研究，以進一步提高模具使用效率和延長使用壽命、降低單件生產成本。（5）在鋼製車身發展方向上，目前成熟的鋼製車身工藝技術（沖壓、焊接、塗裝等）和低成本製造、綠色製造優勢仍然存在，勢必圍繞高強鋼及其復合工藝如材料選型、成型工藝及其裝備開發、精準**技術等方面持續開展。（6）在數位化開發方面，幾何規範的標準應用和研究將圍繞一體化零件及其製造過程的尺寸技術規範表達、高效檢測系統開發、基於過程的快速資料分析等方面開展研究。▍原文作者：田 峰， 王高祥， 周江奇。
作者單位：江蘇火星石科技公司。