日铁借助虚拟试验研发更轻更硬的EV钢板

在纯电动汽车(EV)的钢板研发方面,日本制铁正在虚拟空间内实施汽车碰撞试验。在每辆车上标记1000万处,详细计算变形情况,分析断裂风险等。在追求车体轻量化的纯电动汽车上,钢板与铝等原材料之间的竞争日趋激化。日本制铁将推动轻薄且强度高的钢板研发,改善作为经营最优课题的汽车钢板业务。

“受到这种冲击,存在中柱(CenterPillar)断裂的危险”,在日本制铁的钢铁研究所内,研究人员正在重复纯电动汽车和插电式混合动力车(PHV)等新一代汽车等的碰撞试验。不过,试验中既没有碰撞声也没有震动。因为那是在虚拟空间之中。

碰撞试验是日本制铁与汽车企业的联合作业。汽车企业提供详细数据,包括正在开发的车体形状和各部位不同的钢板数据等。在三维模拟车辆的数据基础上,通过日本制铁开发的系统模拟碰撞情况。

计算断裂风险

通过车体在数字空间内被分解为数毫米见方的方块来计算出碰撞负荷。每辆乘用车分解的方块数量达到几百万~1000万个。

日铁借助虚拟试验研发更轻更硬的EV钢板

根据零部件的形状和使用的钢材种类,计算因碰撞产生的变形和零部件内发生的力。利用自主算法分析断裂风险和刚性等。

算法体现出以多大强度牵拉会断裂、在多大程度上弯曲会折断等材料固有的特性。充分利用了日本制铁多年来积累的钢铁相关数百TB的大数据。

试验结果通过3D图像交给汽车企业,以便其用于设计变更。自2020年起引进了变形可视化技术。能够一眼看出存在断裂风险的部位。

日本制铁自2000年代初期开始推进虚拟碰撞试验。最初计算机的处理速度等存在极限,分解的方块数量不足1万个,难以进行详细分析。用于实际碰撞试验的试制车每辆花费数千万~数亿日元。模拟实验能大幅降低相关成本。钢铁研究所的室长丹羽俊之表示,“设计、试制与评估、重新设计的周期也明显加快”。

汽车企业也在自主利用虚拟空间推进碰撞试验。但是,丹羽室长表示“能预测钢板断裂的,只有具备自主材料数据的钢铁企业”。

日本制铁根据试验数据,以应对纯电动汽车时代日趋激烈的汽车原材料竞争。自2021年起,日本制铁正式邀请国内外的汽车企业推进联合试验。

对钢铁企业来说,汽车钢板业务是经营的“最优先课题”。日本钢铁联盟的统计显示,2020年在普通钢中,汽车用途占到近2成,数量最多,在特殊钢中的占比达到近4成。

钢用量减少,重量变轻

但是,美国调查团体CAR的统计显示,钢铁占车体材料的比例将从2020年的65%降至2040年的46%。特斯拉积极采用铝等,包括塑料和碳纤维在内,钢铁以外的材料正在提高存在感。纯电动汽车需要装载沉重的电池以提高延长续航距离,因此车体的轻量化变得不可或缺。

日本制铁的碰撞试验数据将用于能对抗铝等材料的新型钢铁的研发活动。其中之一是高强度钢板。

在不易断裂的高强度钢板领域,被称为“超高强度钢板”的钢材强度是1990年代主流产品的近3倍,目前也在实用化过程中。不过,这种钢板的强度虽高,但需要与柔软的零部件并用,仅限于车体的支柱等局部使用。

日本制铁将根据试验结果分析钢材的特性,通过改变掺入钢铁的元素配比等措施,挑战进一步兼顾轻量化和易加工性。丹羽室长表示,“我们将与汽车企业合作,清除对断裂、变形和刚性的担忧”。基于大数据向车企提出设计的改善方案等,以扩大超高强度钢板的采用。

3月,日本制铁计划在国内时隔约30年新建热轧生产线,到2026年度投入运行。社长桥本英二表示,“将稳定制造最尖端的超高强度钢板”。

由于日本国内需求的减少和与中国企业的价格竞争,日本制铁将国内14座高炉减少为10座,正在推进大规模的合理化措施。不久前又提高了对丰田供货的钢板价格,反映出以高附加值钢板作为支柱的战略。

海外企业的数据平台领先

在属于“重厚长大”型产业代表的钢铁行业,数字化也成为紧迫的课题。日本制铁将在始于2021年度的5年内向数字化转型(DX)投入1000亿日元以上,JFE控股也将在4年时间投入1200亿日元。已开始取得高炉的人工智能(AI)操作等一定成果。

海外企业也将推进数字化转型。世界最大钢企、中国宝武钢铁集团2020年底启动了自主大数据中心的试运行。将用3年时间构建信息分析平台。此外,欧洲安赛乐米塔尔也在2021年7月在法国开设了首个数字研究所,将加快技术开发。

此前席卷世界钢铁市场的日本企业在积累的历史操作数据等方面具有优势。但是,JFE钢铁的常务执行董事风间彰表示,“在基础设施建设方面,我们落后于海外企业”。日本钢企需要发挥此前积累的数据优势,在数字化转型的基础设施建设方面挑战海外企业。

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