車身輕量化設(shè)計(jì)分析

摘要：當(dāng)前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車生產(chǎn)制造中車身輕量化設(shè)計(jì)與發(fā)展趨勢(shì)日益明顯，而應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)則為實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。但輕量化設(shè)計(jì)中要全面考慮車身材質(zhì)、靈敏性與碰撞安全性等問題。所以汽車車身設(shè)計(jì)中，輕量化設(shè)計(jì)已成為研究的重要內(nèi)容。深入研究車身輕量化設(shè)計(jì)方法，利于推動(dòng)車身輕量化發(fā)展，對(duì)汽車制造行業(yè)發(fā)展至關(guān)重要，基于此，針對(duì)車身輕量化設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)，本文進(jìn)行了簡(jiǎn)單地論述。

關(guān)鍵詞：汽車;車身輕量化設(shè)計(jì);建議

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球經(jīng)濟(jì)也日益惡化，原有價(jià)格日益增長(zhǎng)，加劇了能源危機(jī)。此種情況下，國(guó)家發(fā)改委提出了能源戰(zhàn)略發(fā)展要求，節(jié)能減排成為目前汽車行業(yè)研發(fā)的主要趨勢(shì)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，居民生活品質(zhì)日益提升，日常生活中汽車擁有量增長(zhǎng)，為人們?nèi)粘Ｉ钐峁┝藰O大的便利。近年來，我國(guó)汽車產(chǎn)銷量再創(chuàng)新高，位居世界榜首。汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益研究，而用戶節(jié)能與環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，對(duì)車輛節(jié)能減排性能有了新的要求，低油耗成為用戶選擇與汽車購(gòu)買的首要因素。車輛節(jié)能性備受汽車企業(yè)重視，車身重量對(duì)整車節(jié)能性有著重要的影響，因而整車性能設(shè)計(jì)中，輕量化成為重要參考指標(biāo)。

2 車身輕量化設(shè)計(jì)目的及意義

基于節(jié)能與環(huán)保要求，汽車輕量化備受社會(huì)各界關(guān)注，且車身輕量化對(duì)汽車油耗與環(huán)保有著重要的影響，汽車輕量化目的在于保障汽車安全性能，汽車行駛中實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排效果。

相關(guān)行業(yè)研究發(fā)現(xiàn)，大約75%的油耗離不開整車質(zhì)量因素，因而降低汽車質(zhì)量利于減小油耗與排放。比如汽車行駛阻力公式中，滾動(dòng)、空氣、上坡及加速等方面的阻力共同構(gòu)成了汽車行駛阻力，其中空氣阻力與質(zhì)量沒有關(guān)系，其它阻力都與質(zhì)量間是正比關(guān)系，即汽車質(zhì)量越重其行駛阻力就更大，從而產(chǎn)生更大的油耗。汽車行駛中，質(zhì)量減小10%，其油耗就會(huì)降低8%，排放量也會(huì)減少4%。一般轎車或SUV車型，汽車總質(zhì)量中車身占到30%。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)空載條件下，車身質(zhì)量引起的油耗占到70%。所以，車身輕量化設(shè)計(jì)對(duì)汽車節(jié)能減排具有非常重要的意義。

3 車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車身輕量化設(shè)計(jì)中，除過應(yīng)用輕量化材料取代普通鋼板，還可分析并優(yōu)化車身整體結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)汽車零部件的整體、集成與精簡(jiǎn)化的目標(biāo)。隨著汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的更新發(fā)展，車身布局設(shè)計(jì)與室體結(jié)構(gòu)優(yōu)化中常用CAD與CAE等技術(shù)進(jìn)行，計(jì)算并分析各構(gòu)件形狀、配置及板厚等強(qiáng)度與剛性。同時(shí)保障性能基礎(chǔ)上從整體上合理設(shè)計(jì)零部件壁厚減薄、數(shù)量精簡(jiǎn)與結(jié)構(gòu)。

3.1 優(yōu)化車身布局

優(yōu)化布局即根據(jù)實(shí)際情況促使側(cè)車身整體或局部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最佳布局，比如應(yīng)用前置前驅(qū)布置可降低很多傳動(dòng)系統(tǒng)制件，實(shí)現(xiàn)減重目的。此外，應(yīng)用承載式車身取消車架使得車身質(zhì)量明顯減輕。

3.2優(yōu)化尺寸

優(yōu)化尺寸是結(jié)合車身質(zhì)量與強(qiáng)度等，對(duì)板厚、梁截面與平面慣性矩等尺寸進(jìn)行優(yōu)化以此實(shí)現(xiàn)盈利均勻分布。通常情況下，尺寸優(yōu)化要將汽車零部件形狀尺寸作為變量，滿足不同條件的車身剛度、振動(dòng)、強(qiáng)度及吸能要求。汽車車身設(shè)計(jì)中線性靜力學(xué)與振動(dòng)等問題，可應(yīng)用傳統(tǒng)數(shù)值優(yōu)化算法直接設(shè)計(jì)輕量化車身?；诰€彈性尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，能夠優(yōu)化汽車制造所用零部件并減重汽車重量。

3.3 優(yōu)化車身形狀

其主要指通過制件外形的改變，均勻結(jié)構(gòu)受力。具體主要指優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)整體或局部形狀，充分發(fā)揮材料潛力。通常工程設(shè)計(jì)師采用有限元法進(jìn)行設(shè)計(jì)降低應(yīng)力高峰發(fā)生幾率實(shí)現(xiàn)均勻分布。具體是儲(chǔ)存或加強(qiáng)高負(fù)荷承受位置材料，而減薄或去除低負(fù)荷承受部位材料。

3.4優(yōu)化車身拓?fù)?/p>

其主要指分析制定設(shè)計(jì)空間材料分布情況，利用拓?fù)鋵O發(fā)自動(dòng)取得最佳動(dòng)力傳遞途徑，以此節(jié)省材料。該方法是探尋空間材料最佳分布情況，是一種應(yīng)用價(jià)值比較高的方法。常用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法包含均勻化與變密度等方法。

4 車身輕量化設(shè)計(jì)方法

4.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

其主要指將原有系統(tǒng)設(shè)計(jì)成具備變量數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，利用所選變量滿足設(shè)計(jì)要求。其主要包含形貌、拓?fù)浼俺叽绲葍?yōu)化設(shè)計(jì)方法。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方面，設(shè)計(jì)人員要掌握結(jié)構(gòu)振動(dòng)與靜態(tài)性特點(diǎn)，以此拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)方法的最大特點(diǎn)在于車身設(shè)計(jì)前，借助相關(guān)受力條件與外界條件，即可獲得結(jié)構(gòu)材料最佳分配方案，得到部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，以此為后期車身設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件。結(jié)構(gòu)形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)中，形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)在于找到車身結(jié)構(gòu)形狀的最佳設(shè)計(jì)方法。比如，車身鈑金件形貌設(shè)計(jì)中，可利用加強(qiáng)筋最佳布置方案降低鈑金質(zhì)量前提下，提高結(jié)構(gòu)剛度。形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且使用方便，目標(biāo)明確后能夠在約束條件與設(shè)計(jì)變量狀況下完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2有限單元分析設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，工程問題分析中，有限單位分析技術(shù)是一種有效的手段，其是利用計(jì)算矩陣計(jì)算每一步過程，分析解決工程問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)的問題。復(fù)雜工程問題解決過程中，有限單元單元分析技術(shù)需要設(shè)置的條件比較多且計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，由此對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備與有限單元分析軟件的要求更加嚴(yán)格。

4.3所用新材料

車輛生產(chǎn)制造中，應(yīng)用新型材料可加快車身輕量化設(shè)計(jì)。但所用新型材料也會(huì)增加車身生產(chǎn)成本，因而可選用纖維復(fù)合材料降低車身質(zhì)量實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。具體而言，汽車車身輕量化設(shè)計(jì)以開發(fā)設(shè)計(jì)階段為主，有效設(shè)計(jì)車身概念、動(dòng)靜態(tài)剛度及碰撞安全性等。在此過程中，新型材料包含鋁合金、塑料及鎂合金等各種低密度材料與高強(qiáng)度鋼材料。應(yīng)用新材料時(shí)要充分考慮材料強(qiáng)度、剛度、成本及回收應(yīng)用優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，鋼材是汽車車身設(shè)計(jì)的主要材料。高強(qiáng)度鋼材料拉伸強(qiáng)度高且屈服強(qiáng)度大，可提高汽車車身能量吸收與抗變形等能力，使得車身動(dòng)態(tài)性能得到優(yōu)化，車身質(zhì)量減小，更好地實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。此外，相較之其它材料，高強(qiáng)度鋼材料有更好地固有頻率、動(dòng)靜態(tài)剛度與碰撞安全性，是汽車車身輕量化發(fā)展的必然趨勢(shì)。但因鎂合金材料腐蝕性大且有很高的回收與制造成本，目前車身輕量化設(shè)計(jì)中鎂合金材料應(yīng)用還存在一些問題。

4.4靈敏性車身輕量化設(shè)計(jì)流程

汽車車身輕量化設(shè)計(jì)過程中，要想確保車身性能與其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與要求保持一致，特別是靈敏度分析情況下，將車身鈑金厚度視為變量，參考車身扭轉(zhuǎn)剛度、彎度及第一階模態(tài)因素約束車身設(shè)計(jì)，將車身最小質(zhì)量作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以此進(jìn)行車身輕量化設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，輕量化設(shè)計(jì)中，對(duì)于零件厚度變化對(duì)鈑金沖壓成本造成的影響，設(shè)計(jì)人員要充分考慮這一問題，以此確保制造成本增加是最小的。

4.5以碰撞安全性為核心的車身輕量化設(shè)計(jì)

對(duì)于車輛碰撞安全性，可設(shè)置幾種不同碰撞方案，并進(jìn)行對(duì)比：其中第一種為有限元模型設(shè)計(jì)，其是車身輕量化設(shè)計(jì)前的設(shè)計(jì);第二種是通過對(duì)車身鈑金零件厚度進(jìn)行修改以此構(gòu)建的限元模型;第三種為高強(qiáng)度鋼的輕量化車身設(shè)計(jì)。從節(jié)點(diǎn)侵入量層面來看，某一時(shí)段第二種放慢節(jié)點(diǎn)入侵量高于第一種方案，表明輕量化設(shè)計(jì)后，車身碰撞安全性滿足設(shè)計(jì)要求，安全性能減小部分比較小。大部分時(shí)間段內(nèi)，第三種方案節(jié)點(diǎn)入侵量小于第一種方案，這就表明應(yīng)用高強(qiáng)度鋼可實(shí)現(xiàn)汽車車身輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，一定程度上使得車身碰撞安全性得到明顯增強(qiáng)。

5 汽車車身輕量化設(shè)計(jì)中必須要注意的問題

汽車車身輕量化設(shè)計(jì)中，必須要確保車身振動(dòng)、壽命、強(qiáng)度與安全等性能不會(huì)被損壞。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車安全法規(guī)提出了更加嚴(yán)格的要求。汽車制造中，要想符合安全標(biāo)準(zhǔn)又能實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)要求，就要充分應(yīng)用計(jì)算機(jī)設(shè)備輔助設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法仔細(xì)分析汽車車身結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用新型材料解決車身安全性與輕量化設(shè)計(jì)間的矛盾。汽車車身輕量化設(shè)計(jì)中，車身防腐蝕問題也是不容忽視的。車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要選用不易被腐蝕的結(jié)構(gòu)亦或是將石蠟、聚乙烯等防腐蝕性材料涂抹在汽車結(jié)構(gòu)中，充分考慮車身輕量化設(shè)計(jì)。防震及隔聲等材料應(yīng)用過程中，要選用質(zhì)量輕且效果好的材料。此外，車身舒適性與環(huán)保設(shè)計(jì)中，還要注意輕量化設(shè)計(jì)綜合因素。

6 結(jié)束語

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源耗量大且環(huán)保問題日益突出，汽車設(shè)計(jì)中車身輕量化設(shè)計(jì)已成為必然發(fā)展趨勢(shì)，其能帶來更加直觀有效地效果。汽車車身輕量化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念，加大新型材料的創(chuàng)新與研究力度，從根本上保障車身輕量化設(shè)計(jì)要求與安全性，以此為汽車現(xiàn)代化發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介——

汪濤：（1982-），男，本科，整車性能集成。