鋼鋁結(jié)合商用車車架輕量化技術(shù)綜述

李舜酩，張凱成，丁 瑞，孫明杰

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院， 南京 210016)

目前，商用車保有量占汽車總量的10%左右，但總體燃料消耗量占汽車燃料總消耗量的55%～60%，百公里排放量約為乘用車排放量的3～4倍[1]。而輕量化技術(shù)作為提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和減少尾氣排放的有效手段，對商用車來說，在減輕了自身質(zhì)量的同時(shí)，還提高了載質(zhì)量利用系數(shù)[2]。

一般重型商用車整備質(zhì)量為8～18 t，車架質(zhì)量為500～1 200 kg，車架占商用車整備質(zhì)量的5%～10%[3]，因此車架輕量化對整車輕量化的貢獻(xiàn)非?？捎^。車架承受著整車的簧載質(zhì)量，同時(shí)還要受到來自不平度路面、行駛速度和方向改變而產(chǎn)生的外部激勵(lì)，以及動力傳動系統(tǒng)等產(chǎn)生的內(nèi)部激勵(lì)，所以車架要求足夠的剛度、強(qiáng)度和可靠性。

目前車架輕量化主要依靠3個(gè)方面進(jìn)行[4]：① 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化等，并結(jié)合多學(xué)科手段使得優(yōu)化結(jié)果滿足所有學(xué)科的要求，目前車架優(yōu)化考慮的性能主要有剛度、強(qiáng)度和模態(tài)，而大多數(shù)研究在優(yōu)化過程中未將疲勞考慮在內(nèi)；② 輕量化材料的應(yīng)用，包括高強(qiáng)度鋼和鋁合金等，目前鋼鋁結(jié)合和全鋁在車身上的應(yīng)用較為常見，而在車架上的使用相對較少；③ 先進(jìn)制造工藝，包括熱沖壓成形和激光焊等。生產(chǎn)超高強(qiáng)度鋼和超強(qiáng)度鋁需要更高要求的制造工藝，而且保證鋼鋁材料能夠在車上正常使用，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的鋼鋁異種材料的連接工藝。

因此，基于傳統(tǒng)的車架鋼制結(jié)構(gòu)，采用鋁合金材料制作部分零件，根據(jù)性能模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方式，綜合考慮剛度、強(qiáng)度、模態(tài)和疲勞性能，對鋁替代鋼的零件加以確定，并配合相應(yīng)的連接工藝是今后實(shí)現(xiàn)商用車架輕量化的一個(gè)重要方向。

1 鋼鋁材料在車架上的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

因商用車車架需要安裝各大總成及承受所產(chǎn)生的載荷，所以目前商用車車架縱梁及橫梁等多采用鋼板沖壓加工成槽型結(jié)構(gòu)。隨著車架的發(fā)展，車架的強(qiáng)度級別提高到510、590、610、700 MPa和750 MPa等，以適應(yīng)不同用途的需求。2000年以前，國內(nèi)各商用車整車廠在車架上采用的主要是以如Q345和16MnL等普通強(qiáng)度等級的鋼材。在2000年以后，國內(nèi)整車廠開始研發(fā)使用高強(qiáng)度鋼板。東風(fēng)商用車在2004年開始研發(fā)使用抗拉強(qiáng)度為590 MPa級的熱軋高強(qiáng)度鋼板，其在2007年批量用于車架縱梁的生產(chǎn)[5]。同年，開始了抗拉強(qiáng)度為700 MPa級熱軋高強(qiáng)度鋼板縱梁的試制工作。2012年設(shè)計(jì)推出的第一款量產(chǎn)的輕量化牽引車車架上采用了750 L高強(qiáng)度鋼板，由原來的雙層車架優(yōu)化為單層，局部通過增加加強(qiáng)板以滿足強(qiáng)度要求，減重幅度顯著[6]。近年來，北京福田戴姆勒汽車有限公司成功試制了屈服強(qiáng)度為620～700 MPa級別的汽車用大梁鋼的車架縱梁，試制產(chǎn)品滿足工藝及質(zhì)量要求，并完成道路可靠性試驗(yàn)，使整車輕量化和安全性合理的匹配與平衡，達(dá)到了輕量化的目的[7]。目前，國內(nèi)重型卡車車架縱梁截面多為U字型直梁與變截面彎梁，材料多選用低合金高強(qiáng)度熱軋中厚度鋼板，厚度4～10 mm，材料牌號多為510～690 L，通過沖孔、壓型、切割、合梁及鉆孔等工序加工為成品縱梁。少部分車型采用了700～800 MPa級別的大梁鋼板，甚至熱處理車架。

歐美發(fā)達(dá)國家的重卡車系中，如奔馳、沃爾沃、斯堪尼亞、曼恩等系列車系，其車架用鋼強(qiáng)度普遍已達(dá)到700～800 MPa級別水平[8]，部分公司還采用了1 200 MPa級別以上的熱處理車架，甚至鋁合金車架，車架重量明顯低于國內(nèi)同類產(chǎn)品。

全鋼制車架不符合輕量化，而全鋁合金車架成本又太高且強(qiáng)度不足，鋼鋁結(jié)合車架利用鋁合金替代部分鋼制零件，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，既節(jié)省成本，又達(dá)到了輕量化的目的。在發(fā)達(dá)國家，商用車的鋁化率已經(jīng)超過80%，而中國商用車的鋁化率除個(gè)別車種如冷藏車外，其他的均很低，發(fā)展空間較大[9]。北美地區(qū)車型輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行得較早，鑄造鋁合金研究處于領(lǐng)先水平，鑄造工藝先進(jìn)，也是最早將鑄鋁合金應(yīng)用在重型貨車底盤的連接及承載零部件上的地區(qū)。目前使用鑄造鋁合金的零件包括橫梁及大部分底盤支架，主要采用普通鑄造及加壓鑄造工藝[10]。但近幾年隨著新型的超高強(qiáng)度的鋁合金的出現(xiàn)，汽車制造商有了一個(gè)真正的替代方案，超高強(qiáng)度鋁合金關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是突出的密度-強(qiáng)度比，這允許其與超高強(qiáng)度鋼相同的機(jī)械性能并顯著地節(jié)省重量[11]。在未來的十幾年中，肯聯(lián)鋁業(yè)等鋁制造商將繼續(xù)投資于研究和開發(fā)，以推動超高強(qiáng)度的鋁合金發(fā)展，為汽車制造商提供額外的選擇，使車輛在不犧牲安全性的前提下，質(zhì)量更輕。

國內(nèi)新修訂的GB1589于2016年7月正式發(fā)布，其對商用車的軸荷及質(zhì)量限值均進(jìn)行了壓縮。如果總質(zhì)量下降而整備質(zhì)量不變，會導(dǎo)致載質(zhì)量降低，因此，商用車輕量化的需求因政策而加大?？紤]到國內(nèi)路況和超載問題，目前車架的縱梁和橫梁仍采用鋼制，但其他附件，如油箱和輪轂正逐漸由鋼向鋁合金過渡。揚(yáng)州中集通華專用車有限公司于2016年2月推出了一款鋼鋁混合的45英尺的鵝頸骨架車，主體車架采用高強(qiáng)度鋼板，附件一律采用5系和6系鋁合金材質(zhì)。就目前發(fā)展趨勢，材料是商用車輕量化的重要途徑之一，先進(jìn)高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、非金屬復(fù)合材料等用在國產(chǎn)商用車上已經(jīng)屢見不鮮，促進(jìn)了商用車的輕量化，但是我國目前商用車先進(jìn)材料的應(yīng)用比例和應(yīng)用的成熟度相較國外先進(jìn)水平還是比較低的。國內(nèi)特別是車架仍是以510～590 MPa級大梁鋼板為主，鋁合金在車架上的總體應(yīng)用率較低。

2 鋼鋁結(jié)合車架所面臨的關(guān)鍵問題

鋼鋁結(jié)合車架結(jié)構(gòu)的理念雖然已經(jīng)引起國內(nèi)外汽車企業(yè)的高度重視，并在實(shí)際的車架制造中有了一定的體現(xiàn)，但是這種車架結(jié)構(gòu)的開發(fā)方法與傳統(tǒng)的單一材料車架結(jié)構(gòu)相比有很大的不同，仍然面臨著一些關(guān)鍵問題亟待解決。

首先，鋼和鋁的物理特性有較大的區(qū)別，2種材料的熔點(diǎn)與熱膨脹系數(shù)相差較大，焊接過程中難以形成熔核，且易形成脆性的金屬間化合物，難以保證接頭強(qiáng)度，受熱后引起內(nèi)應(yīng)力難以消除[12]。另外，鋁和鋼的電位相差較大，易于發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，故鋼鋁材料結(jié)合車架很難通過傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊進(jìn)行連接，如何克服鋁和鋼物理化學(xué)性質(zhì)的巨大差異是連接技術(shù)的一大難點(diǎn)。

其次，車架輕量化的前提是基于強(qiáng)度和剛度條件進(jìn)行的，對于鋁合金來說，7075鋁合金在T6溫度下達(dá)到約500 MPa的屈服點(diǎn)，在T7溫度下的屈服點(diǎn)約為450 MPa。450～500 MPa的屈服點(diǎn)已經(jīng)非常高，然而如果考慮相同的產(chǎn)品厚度，超高強(qiáng)度鋼仍然具有1 100 MPa的屈服強(qiáng)度，強(qiáng)度明顯更高。鋁合金在強(qiáng)度和剛度方面明顯低于鋼板。

再次，鋼鋁結(jié)合車架結(jié)構(gòu)的核心是將合適的材料應(yīng)用于合適的部位，以充分發(fā)揮鋼和鋁在強(qiáng)度、剛度、輕量化方面各自的優(yōu)勢，最大程度上實(shí)現(xiàn)車架的輕量化和重要性能的最優(yōu)。然而，如何為每一個(gè)零部件確定其適合的材料，即如何科學(xué)地進(jìn)行材料選擇，從眾多的可選材料組合中找出最符合設(shè)計(jì)要求的材料，顯然是重點(diǎn)考慮的問題。

最后，采用輕量化材料的前提是保證材料替換的結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)基本性能仍達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在采用輕質(zhì)材料的同時(shí)，還需結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及相匹配的制造工藝，才能達(dá)到理想的輕量化效果。因此，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)形式的變化問題、輕質(zhì)材料的制造工藝以及異種材料間的連接問題，都是多材料結(jié)構(gòu)面臨的關(guān)鍵問題。

綜上所述，鋼鋁結(jié)合車架面臨著異種金屬間的連接技術(shù)、材料匹配、高強(qiáng)度鋼和鋁合金的先進(jìn)成形工藝技術(shù)、電化學(xué)腐蝕及熱變形不協(xié)調(diào)等突出問題。對于試圖在成本約束下進(jìn)一步減小車架重量的汽車工業(yè)而言，這些問題的解決都是迫切需要的。

3 鋼鋁結(jié)合車架CAE優(yōu)化方法

3.1 鋼鋁結(jié)合結(jié)構(gòu)研究

乘用車排放標(biāo)準(zhǔn)更高，為了節(jié)能減排，鋁合金材料在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)應(yīng)用在車身上，且鋁合金在乘用車材料中的使用比例逐年提高。隨著近年來商用車排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)苛，商用車同樣需要進(jìn)行輕量化。雖然目前的成形技術(shù)還達(dá)不到商用車車架全鋁，但設(shè)計(jì)鋼鋁結(jié)合結(jié)構(gòu)是目前解決輕量化難題的可行途徑之一。一般來說，鋼鋁結(jié)合車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分成兩個(gè)部分：第一部分，首先根據(jù)強(qiáng)度和剛度等安全指標(biāo)作為約束，把材料作為變量組進(jìn)行優(yōu)化，以得到材料分配后的車架；第二部分，對選定好材料的車架進(jìn)行優(yōu)化，以強(qiáng)度、剛度和模態(tài)特性等作為約束，把板厚等作為變量進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后獲得滿足多種指標(biāo)的車架輕量化方案。有關(guān)研究[13]以某國產(chǎn)SUV車架為例，對其進(jìn)行剛度和模態(tài)仿真分析，使用鋁合金材料，結(jié)合正交試驗(yàn)法確定材料輕量化目標(biāo)。建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行多目標(biāo)形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到滿足剛度和模態(tài)性能的鋼鋁復(fù)合車架模型。相關(guān)研究[14]對基于耐撞性的車身前端結(jié)構(gòu)鋼鋁混合材料輕量化設(shè)計(jì)，以簡化模型中的前保險(xiǎn)杠、吸能盒、副車架前橫梁等構(gòu)件為對象，采用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)與RBF近似模型，建立了綜合考慮總質(zhì)量、總吸能、白車身扭轉(zhuǎn)剛度、前縱梁后端峰值碰撞力等性能在內(nèi)的鋼鋁混合材料與板厚組合多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型，最終取得了研究對象減重29.1%的輕量化效果。

3.2 計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化研究

20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算力學(xué)和計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，解決一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的問題也變得越來越方便，從而推動了結(jié)構(gòu)輕量化的發(fā)展。20世紀(jì)90年代以后，國外眾多研究者加入到商用車及乘用車車架的計(jì)算仿真工作中來，Bhope等[15]借助有限元軟件對掛車底盤進(jìn)行改進(jìn)，最終減輕了其重量；Nor等[16]通過CATIA對拖車車架進(jìn)行有限元分析，設(shè)計(jì)工字梁尺寸提高其安全系數(shù)。近年來，輕量化理論方法和CAE軟件不斷出現(xiàn)，應(yīng)用越來越成熟。目前我國的輕量化研究主要采用這種方式，如南京航空航天大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[17]利用ANSYS根據(jù)滿載時(shí)均布載荷作用在車架上的計(jì)算工況對車架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使車架質(zhì)量降低了17.9%。湖南大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[18]運(yùn)用區(qū)間分隔拓?fù)鋬?yōu)化并綜合尺寸優(yōu)化確定了車架的最終尺寸，最終減重10%。安徽理工大學(xué)的有關(guān)研究[19]利用Optistruct以扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力值為約束對縱梁、橫梁、連接板、尾梁和后加強(qiáng)板進(jìn)行尺寸優(yōu)化，使車架總質(zhì)量較少約11.8%。

然而有限元仿真存在著計(jì)算量過大、收斂速度緩慢甚至不收斂等難題，為解決這些難題，通常采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)提取采樣點(diǎn)建立近似模型的方法來代替復(fù)雜有限元仿真，達(dá)到簡化優(yōu)化過程和減少計(jì)算成本的目的。試驗(yàn)設(shè)計(jì)是建立近似模型的前提和基礎(chǔ)，為了構(gòu)造具有較高精度的近似模型，必須選擇合適的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，使樣本點(diǎn)能夠按照一定的規(guī)律分布在設(shè)計(jì)空間內(nèi)，較為準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系。針對計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)，廣泛使用具有均勻分布特征的采樣策略，如正交設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)和拉丁超立方設(shè)計(jì)等[20]。

根據(jù)近似模型提供的車架設(shè)計(jì)變量與結(jié)構(gòu)性能響應(yīng)間的函數(shù)關(guān)系式，能夠快速方便地開展各種類型的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，包括無約束/約束優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化、可靠性優(yōu)化、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基函數(shù)、Kriging和支持向量回歸等。吉林大學(xué)的研究[21]結(jié)合Isight采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建近似模型對貨車車架進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，使彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)性能提升，并實(shí)現(xiàn)減重3.5 kg；武漢理工大學(xué)的研究[22]建立多項(xiàng)式響應(yīng)面近似模型，基于Isight軟件，運(yùn)用多島遺傳算法對純電動車身進(jìn)行多學(xué)科尺寸優(yōu)化；Mi等[23]建立礦用自卸車車架的Kriging近似模型，利用NSGA-II多目標(biāo)遺傳算法對車架質(zhì)量和疲勞進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。盡管基于近似模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)被認(rèn)為是解決復(fù)雜工程設(shè)計(jì)問題的最有效途徑之一，但仍存在不足：對設(shè)計(jì)變量數(shù)目的敏感性。隨著設(shè)計(jì)變量數(shù)目的增加，近似模型所需的采樣點(diǎn)數(shù)量呈幾何倍數(shù)增加，而且近似模型對高維空間的擬合精度不如低維空間[24]。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究

通過現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)汽車各零部件的結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)部件薄壁化、中空化、小型化以尋求最大限度地減輕重量。車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法一般有：尺寸優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化。尺寸優(yōu)化計(jì)算效率較高且易于實(shí)施，車架優(yōu)化一般是將梁和板的厚度作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化[25]。在尺寸優(yōu)化前，首先可以進(jìn)行靈敏度分析，將各個(gè)部件尺寸參數(shù)變化過程中對重要優(yōu)化目標(biāo)影響大的部件提取出來進(jìn)行后續(xù)的分析，既節(jié)省成本，又提高了效率。清華大學(xué)的研究者[26]利用尺寸優(yōu)化技術(shù)對載重越野車和大客車車身骨架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減重效果明顯。當(dāng)尺寸優(yōu)化技術(shù)結(jié)合輕量化材料和工藝技術(shù)之后，能夠取得更顯著的減重效果。Botkin[27]利用UG參數(shù)化建模方法和Nastran的優(yōu)化技術(shù)，對轎車白車身的前部結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于碳纖維材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終使得該承載結(jié)構(gòu)比鋼材結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小61.8%。

拓?fù)鋬?yōu)化[28-29]是有限元分析和數(shù)學(xué)優(yōu)化的有機(jī)結(jié)合，針對單相材料結(jié)構(gòu)，有變厚度法、變密度法、ICM法、ESO法和均勻化方法等。Yang等[30]詳細(xì)介紹了拓?fù)鋬?yōu)化在汽車主要零部件、車架、車身等的應(yīng)用。然而工程設(shè)計(jì)中還有多種不同性能和特性的材料共同構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，即多相材料結(jié)構(gòu)。多相材料的拓?fù)鋬?yōu)化方法有密度法、水平集方法和相場法等。相關(guān)研究[31]發(fā)現(xiàn)多相材料拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)與單相材料結(jié)構(gòu)相比，具有更輕的質(zhì)量。但目前車架拓?fù)鋬?yōu)化一般不會考慮多相材料，工藝上很難實(shí)現(xiàn)。

多目標(biāo)優(yōu)化問題是在可行域中確定由決策變量組成的矢量，使得一組相互沖突的目標(biāo)函數(shù)值盡量同時(shí)達(dá)到極小。它與單目標(biāo)優(yōu)化的本質(zhì)區(qū)別在于前者問題的解不是唯一的，而是存在大量的非劣解，需要根據(jù)實(shí)際要求選取相對適合的解。目前，多目標(biāo)優(yōu)化廣泛的存在性與求解的困難性未解決，理論方法還不夠完善，主要可分為兩大類：把多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化成一個(gè)或一系列單目標(biāo)優(yōu)化，將其優(yōu)化結(jié)果作為目標(biāo)優(yōu)化的一個(gè)解，即統(tǒng)一目標(biāo)法；直接求非劣解，然后從中選擇較好的解作為最優(yōu)解，具體有主要目標(biāo)法、目標(biāo)分層法和功效系數(shù)法[32]。有關(guān)研究[33]分別使用線性加權(quán)法、平方和加權(quán)法和折衷規(guī)劃法求解貨車車架的多目標(biāo)優(yōu)化問題，其中折衷規(guī)劃法效果最好，車架拓?fù)鋬?yōu)化后，各工況下車架的剛度最大。

現(xiàn)代工程項(xiàng)目規(guī)模龐大，設(shè)計(jì)要求也相當(dāng)復(fù)雜，往往涉及多個(gè)學(xué)科，而多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是一種能夠覆蓋多個(gè)學(xué)科的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以分為：基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和基于優(yōu)化算法兩類[34]。基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法在工程應(yīng)用中較為常見，通常利用Isight和HyperStudy等多學(xué)科優(yōu)化軟件建立近似模型并通過模擬退火、遺傳等智能算法尋取最優(yōu)解?；趦?yōu)化算法屬于傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，于20世紀(jì)90年代開始建立起來，經(jīng)過20多年發(fā)展，產(chǎn)生了大量算法。基于優(yōu)化算法分為單級方法和多級方法。單級方法中各個(gè)學(xué)科存在耦合關(guān)系，當(dāng)學(xué)科過多時(shí)，計(jì)算過大，很難協(xié)調(diào)得到最優(yōu)解。隨著工程的問題變得越來越復(fù)雜，耦合的學(xué)科變多，為了簡化計(jì)算，多級方法將原先單層結(jié)構(gòu)關(guān)系修改為多層結(jié)構(gòu)，將學(xué)科進(jìn)行分解，每層都有一個(gè)獨(dú)立的求解器，首先在下層尋找一個(gè)設(shè)計(jì)去滿足上層的約束和目標(biāo)值，最后進(jìn)行系統(tǒng)級分析。車架在進(jìn)行輕量化過程中通常會涉及剛度、強(qiáng)度、模態(tài)、抗撞性、疲勞和成本等多個(gè)學(xué)科的影響。目前，大量研究已將強(qiáng)度、剛度、模態(tài)和抗撞性考慮在內(nèi)，而將疲勞作為約束條件或目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化的研究較少，是今后研究的重點(diǎn)。

3.4 載荷影響的研究

在優(yōu)化過程中，由于車架承受著來自道路和裝載的各種復(fù)雜載荷作用，在使用CAE軟件進(jìn)行車架仿真時(shí)需要盡可能地模擬實(shí)際工況。不同工況的受力頻次不同，判斷基準(zhǔn)也不一樣。平地啟動、重載彎曲、普通制動、普通轉(zhuǎn)向工況按疲勞強(qiáng)度進(jìn)行判斷；緊急轉(zhuǎn)向工況、緊急制動工況、扭轉(zhuǎn)工況屬于極限工況，用材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行判斷。目前仿真過程中考慮的載荷一般分為3類：行駛載荷、操作載荷和特殊載荷。行駛載荷主要包括貨物和乘員、行駛速度和路面狀況，其中貨物一般認(rèn)為是固定不動的，而對液體類以及行駛途中會發(fā)生移動的貨物目前的研究較少；操作載荷依照工況的不同包括起動操作載荷、制動操作載荷和轉(zhuǎn)向操作載荷等；特殊載荷是指完全由于偶然因素造成的載荷，如駕駛差錯(cuò)、碰撞等造成的載荷，以及由于自然環(huán)境影響，對汽車構(gòu)件所造成的附加載荷等，目前只考慮碰撞產(chǎn)生的載荷?？v觀國內(nèi)外對車架輕量化的研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)：在設(shè)計(jì)研究車架各項(xiàng)特性時(shí)，大多數(shù)學(xué)者[35-36]主要以滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、滿載制動和滿載轉(zhuǎn)彎下靜態(tài)載荷以及模態(tài)分析為主，而對于車輛工作時(shí)所受到的動態(tài)載荷則以動載系數(shù)來表示，但是靜態(tài)載荷與動載系數(shù)均不能準(zhǔn)確地描述車輛的實(shí)時(shí)受力狀態(tài)以及在運(yùn)動過程中所受到的動態(tài)載荷峰值力。所以，目前的研究在車架動力學(xué)分析方面還不完善，在車架優(yōu)化過程中未考慮動態(tài)載荷的實(shí)際影響。

4 鋼鋁結(jié)合車架連接工藝

4.1 焊接工藝

4.1.1冷金屬過渡電弧焊接

冷金屬過渡電弧焊接技術(shù)(CMT)[37]是主要用于解決薄板焊接變形問題和鋼鋁焊接等熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)解決不了的問題而開發(fā)出的一種新型低能耗連接工藝。CMT焊接工藝實(shí)現(xiàn)了幾乎無電流狀態(tài)下的熔滴過渡，減少了電弧輸入熱量的時(shí)間，熱輸入量幾乎為零，可以焊接低至0.3 mm的鋁合金板材，在變形量得到有效控制的同時(shí)還提高了焊接質(zhì)量的重復(fù)性。

CMT焊接技術(shù)相對于MIG焊工藝，具有工藝穩(wěn)定性高、飛濺小、焊接速度快、熱輸入量低、變形小等優(yōu)點(diǎn)，但其產(chǎn)生煙氣污染的程度要比其他連接方式大，因而需要配備相應(yīng)的除煙塵設(shè)備[38]。

4.1.2攪拌摩擦焊接

攪拌摩擦焊(FSW)是通過將高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具壓入待焊母材，并借助其旋轉(zhuǎn)接觸摩擦熱將工件加熱至塑性軟化區(qū)，最終冷卻形成有效連接的一種固相連接工藝[39]。可見，攪拌摩擦焊中沒有傳統(tǒng)熔焊的常見問題，如接頭氣孔、裂紋等，其焊縫組織更加接近鍛造的細(xì)晶組織。相比熔焊，F(xiàn)SW連接的抗拉強(qiáng)度提升15%～20%。根據(jù)焊縫形成軌跡的不同，F(xiàn)SW分為攪拌摩擦點(diǎn)焊和攪拌摩擦縫焊。

攪拌摩擦焊屬于綠色連接工藝，具有能耗低，焊接過程中無輻射、煙塵和飛濺，噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，連接過程中，無需填充材料、保護(hù)氣體及加工坡口，焊前無需對母材表面預(yù)處理，但是焊接過程中需要的外力較大，設(shè)備需要較高的剛度，且對焊接頭的磨損較大。

4.1.3摩擦塞鉚焊

近年來，一種基于摩擦焊原理并主要用于超高強(qiáng)鋼及熱成型鋼與鋁的連接的摩擦塞鉚焊技術(shù)快速興起[40]。該技術(shù)的本質(zhì)是借助高速旋轉(zhuǎn)的鋼制鉚釘穿透上層鋁板，并與下層鋼板通過摩擦點(diǎn)焊實(shí)現(xiàn)連接，借助鋼-鋼連接來實(shí)現(xiàn)鋼-鋁連接的目的。整個(gè)工藝過程可分為預(yù)熱、穿透、熔化以及焊接4個(gè)階段。摩擦塞鉚焊技術(shù)具有可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼和鋁的連接，無需預(yù)開孔、預(yù)處理或后處理，連接強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在需要保留雙側(cè)空間、釘頭較為突出、不利于空間布置等缺點(diǎn)。

4.2 機(jī)械連接工藝

4.2.1自沖鉚接

自沖鉚接(SPR)是依靠鉚釘穿透上部板材并與底層板材形成可靠互鎖結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)連接的一種機(jī)械冷成型連接[41]。整個(gè)工藝過程可分為夾緊、沖裁、擴(kuò)張以及沖鉚4個(gè)階段。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：可實(shí)現(xiàn)鋼鋁鎂以及碳纖維同異種材料的連接，且效率高、能耗低。由于該過程不涉及基材的熔化和凝固過程，避免了脆性金屬間化合物的形成。但是，SPR也存在局限性，其在連接點(diǎn)處需要保留雙側(cè)進(jìn)槍空間，且存在著冶金結(jié)合不牢、接頭強(qiáng)度低、氣密性差、疲勞性能差等缺點(diǎn)。

4.2.2螺栓連接

螺栓連接是在商用車車架上較為常見的連接方式，其結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便，常用于車架縱梁與結(jié)構(gòu)附件之間的連接。但長期使用容易松動，縱梁與橫梁的連接一般不采用這種方式。在連接過程中，鋼制螺栓需進(jìn)行鍍鋅等表面處理，以阻礙后續(xù)的接觸電化學(xué)腐蝕。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

1) 全鋼制車架不符合輕量化，全鋁合金車架強(qiáng)度低且成本較高，而鋼鋁結(jié)合車架利用鋁合金替代部分鋼制零件，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，既節(jié)省成本，又達(dá)到了輕量化的目的。但目前由于國內(nèi)非高速公路道路路面狀況不佳、超載問題和維修不便等因素，我國車架的縱梁和橫梁等承載件仍采用鋼制保證其強(qiáng)度，而國外已將鑄鋁應(yīng)用于車架橫梁和附屬支架上。

2) 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，在使用CAE軟件仿真優(yōu)化時(shí)，能更準(zhǔn)確地建立車架模型，更真實(shí)地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的重要力學(xué)特征。CAE軟件能夠根據(jù)性能模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方式，對鋁替代鋼的零件加以確定，從而提高車架的力學(xué)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)車架的輕量化。但目前對于車輛工作時(shí)所受到的動態(tài)載荷方面的仿真分析還較少，另外在優(yōu)化過程中也少有研究考慮疲勞的影響。

3) 對于鋼-鋁異材連接而言，由于鋼與鋁的固溶度很低，其物理、化學(xué)屬性差異又比較大。其次，鋼、鋁兩種金屬材料的化學(xué)電位相差比較大，連接界面處很容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。因此，針對鋼鋁異種材料的連接，常用的方式有冷金屬過渡電弧焊、摩擦焊、自沖鉚接、螺栓連接等。

5.2 展望

1) 目前世界最主要的汽車生產(chǎn)商幾乎都在爭相開發(fā)鋁合金零部件，但鋁材應(yīng)用在汽車上會遇到許多技術(shù)上的難題，加工難度比鋼材大很多。我國自主研究的6000系列鋁合金汽車板也才剛剛起步，其性能還不能夠滿足要求。但是目前的發(fā)展時(shí)機(jī)已經(jīng)很成熟，應(yīng)該加快研究步伐，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的6000系列的鋁合金汽車板材。

2) 目前，對于車輛工作時(shí)所受到的動態(tài)載荷方面的仿真分析還較少，在研究車架各項(xiàng)特性時(shí)考慮動態(tài)載荷是今后優(yōu)化過程中需要研究的重點(diǎn)。

3) 目前，在優(yōu)化時(shí)很少有研究將疲勞壽命作為約束條件或優(yōu)化目標(biāo)，但疲勞壽命分析對商用車車架相當(dāng)重要，因此今后在多學(xué)科優(yōu)化過程中應(yīng)該考慮疲勞的影響。