汽車輕量化技術(shù)與新材料應(yīng)用

寧紅巖 關(guān)紅剛

【摘 要】近年來，國內(nèi)工業(yè)化進程不斷加快，使得生態(tài)環(huán)境、自然資源等問題越發(fā)嚴重。再加上可持續(xù)發(fā)展需求和科學(xué)發(fā)展觀提出，怎樣貫徹落實生態(tài)環(huán)境保護與節(jié)能減排成為目前急需解決的問題。因此，本文針對汽車輕量化技術(shù)與新材料運用做出了進一步探究，對汽車輕量化發(fā)展的現(xiàn)狀、熱壓成形技術(shù)、車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計給出了詳細的分析。

【關(guān)鍵詞】新材料；汽車輕量化；應(yīng)用

引言

2016年，中國汽車工程學(xué)會組織逾500位行業(yè)專家研究編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》正式對外發(fā)布，描繪了我國汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)未來15年的發(fā)展藍圖，輕量化成為七大技術(shù)路線圖之一。《中國制造2025》中輕量化也被列為節(jié)能與新能源汽車發(fā)展目標(biāo)的核心技術(shù)，所以，走在汽車輕量化前沿的企業(yè)才具備更大的市場競爭優(yōu)勢，汽車輕量化勢在必行。

1、汽車輕量化研究的定義

關(guān)于汽車輕量化的定義，不能僅以減輕質(zhì)量多少來衡量，同時需要考慮設(shè)計車身的尺寸以及功能。主要可以從以下3個方面進行論述：①滿足使用功能的汽車通過減輕質(zhì)量實現(xiàn)輕量化設(shè)計；②功能不能完全滿足使用要求的汽車通過完善功能實現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計，比如改進動力學(xué)性能、NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能等；③提高和改進性能的同時也使汽車減輕質(zhì)量從而實現(xiàn)汽車輕量化。除去減輕質(zhì)量外，汽車的輕量化設(shè)計還包含優(yōu)化結(jié)構(gòu)和價格合理化。現(xiàn)階段實現(xiàn)汽車輕量化的技術(shù)主要有3類：①結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將CAD、CAE、CAM技術(shù)結(jié)合使用；②使用輕量化材料，目前使用較多的是鋁、鎂、鈦合金、高強度鋼、塑料及復(fù)合材料等；③先進的制造工藝，主要有激光拼焊、液壓成形、熱成形等。

2、汽車輕量化的應(yīng)用問題

2.1、技術(shù)相對落后

汽車輕量化技術(shù)直接關(guān)系著決定了汽車質(zhì)量和材質(zhì)輕重，但是結(jié)合實際情況進行分析，國內(nèi)汽車輕量化技術(shù)依舊存在較大的發(fā)展空間。特別是針對沖壓工藝方面，雖然多數(shù)以上的企業(yè)已經(jīng)投入大量資金在新材料研發(fā)中，但是卻沒有獲得明顯成效，沒有克服和解決材料強度要求和沖擊工藝間矛盾。以沖壓工藝為例，目前并沒有實現(xiàn)沖壓和材料強度的沖突解決，造成沖壓環(huán)節(jié)經(jīng)常發(fā)生裂紋、折皺等問題。同時，復(fù)合材料工業(yè)相對落后，復(fù)合材料的工藝水平較差，，沒有掌握全套的核心技術(shù)，過于依賴進口技術(shù)也在一定程度上制約了輕量化技術(shù)發(fā)展?；げ牧鲜瞧囕p量化的基礎(chǔ)條件，復(fù)合材料制造工作過于依賴國際上的科學(xué)技術(shù)，造成諸多材料無法及時創(chuàng)新和升級。而由國外引入技術(shù)，也在極大程度上提高汽車產(chǎn)品成本，影響輕量化汽車應(yīng)用和普及。

2.2、材料普及率低相較于傳統(tǒng)

汽車材料而言，化工新材料應(yīng)用的范圍相對較小。這使得材料供應(yīng)商有限，部分稀有材料需要自行研發(fā)，大幅度提高輕量化汽車生產(chǎn)的門檻，造成化工新材料應(yīng)用范圍和普及力度過小。此外，一些化工新材料被企業(yè)列為商業(yè)機密，只有少數(shù)重頭的企業(yè)持有，從而阻礙化工新材料應(yīng)用和推廣。新材料普及率相對較低，造成輕量化汽車后期服務(wù)和維修缺少經(jīng)驗，嚴重影響企業(yè)的形象，阻礙化工新材料在汽車輕量化的推廣。

3、鋁合金等新材料汽車輕量化應(yīng)用

3.1、CAD/CAE/CAM的應(yīng)用

在當(dāng)前的汽車工業(yè)當(dāng)中，CAD/CAE/CAM的使用對于一體化技術(shù)有著非常重要的意義，包括了在設(shè)計汽車和制造汽車的每項步驟，對于這些技術(shù)的使用可以有效實現(xiàn)輕量化汽車的制造和設(shè)計。此外，一體化技術(shù)的應(yīng)用可以精準(zhǔn)的對車身實體結(jié)構(gòu)以及布局進行設(shè)計，對每個構(gòu)件的開頭配置，板材厚度的變化有了非常詳細的分析，并在數(shù)據(jù)庫中將系統(tǒng)直接生成的數(shù)據(jù)提取出來，以便對工程的剛度以及強度進行分析。針對輕質(zhì)材料零部件的應(yīng)用，可以進行強化分析以及運動干涉的詳細分析，從而使材料的應(yīng)用能夠更加符合設(shè)計的各項要求。利用對車身、底盤、動力傳動系統(tǒng)等相關(guān)零部件加工技術(shù)的整體研發(fā)，促進了汽車制造節(jié)能環(huán)保工作的實現(xiàn)。

3.2、高強度鋼板的應(yīng)用

對于高強度鋼板的應(yīng)用，其優(yōu)勢為將鋼板減薄、減少車身的質(zhì)量，并且不會減少安全性。不管是成本還是性能，對于高強度鋼板的使用，都可極大的滿足車身的輕量化要求，是將碰撞安全性進行提升的重要材料。

3.3、鋁合金的應(yīng)用

鋁合金為一種輕質(zhì)金屬，是實現(xiàn)輕量化的理想材料，使用量和樣式也在逐步增加，未來很有可能將鋼板替代成為汽車車身使用的重要材料。

4、汽車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4.1、傳統(tǒng)的形狀設(shè)計方法

傳統(tǒng)的形狀設(shè)計方法有：采用點作為設(shè)計變量，例如離散的節(jié)點或者是幾何元素上的輔助控制點；使用提前設(shè)置好的幾何形狀元素的線性組合來描述結(jié)構(gòu)的幾何形狀，設(shè)計變量則選取線性組合的系數(shù)；將幾何參數(shù)作為設(shè)計變量，然后定義子程序來實現(xiàn)幾何參數(shù)與設(shè)計單元控制點坐標(biāo)的關(guān)系；如果包含有曲面、曲線，將決定邊界曲線、曲面形狀的幾何參數(shù)作為設(shè)計變量。以上各種方法都存在問題，比如設(shè)計變量過多，處理時太過于繁瑣，會出現(xiàn)難以描述的幾何邊界形狀，需要編碼，需要額外再處理曲線曲面關(guān)系等，因此傳統(tǒng)的形狀優(yōu)化在實施過程中難度很大。

4.2、網(wǎng)格變形技術(shù)

網(wǎng)格變形技術(shù)和三維實體參數(shù)化形狀優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)了形狀優(yōu)化的局勢，使得形狀優(yōu)化操作更加簡單。網(wǎng)格變形技術(shù)是將一個給定的二維或者三維幾何對象在外形上光滑、連續(xù)地變換成能夠達到優(yōu)化目標(biāo)的幾何對象。網(wǎng)格變形技術(shù)目前可以在多個CAE軟件上應(yīng)用，涉及的領(lǐng)域包括幾何造型、計算機動畫[7-9]、汽車局部優(yōu)化[10-13]和車身造型的優(yōu)化等，并且優(yōu)化的方法也不盡相同。方劍光等[16]基于網(wǎng)格變形技術(shù)，采用優(yōu)化拉丁方試驗設(shè)計同時結(jié)合近似模型以及粒子群優(yōu)化算法提出了多目標(biāo)形狀優(yōu)化方法，研究表明，多目標(biāo)優(yōu)化方法可以成功地對白車身截面進行優(yōu)化，而且設(shè)計者可以根據(jù)優(yōu)化結(jié)果權(quán)衡各個目標(biāo)，以指導(dǎo)最終決策。

4.3、拓撲優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是給定位移、應(yīng)力、材料和目標(biāo)函數(shù)，在設(shè)計空間內(nèi)尋求結(jié)構(gòu)中構(gòu)件布局及節(jié)點連接方式的最優(yōu)化，保證外載荷傳遞到結(jié)構(gòu)的支撐位置以及其他的性能最優(yōu)。拓撲優(yōu)化的前身是桁架優(yōu)化。20世紀(jì)80年代，連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化分析成為熱潮，Bendsoe與Kikuchi最先提出了微結(jié)構(gòu)概念和基于材料均勻化的思想。此后，其他一些更為簡潔的方法，如均勻化法、水平集法、變密度法等，相繼建立。均勻化法的思想本質(zhì)上與尺寸優(yōu)化相似，引入微結(jié)構(gòu)到連續(xù)體中，以微結(jié)構(gòu)的尺寸作為設(shè)計變量。均勻化優(yōu)化是在力學(xué)和數(shù)學(xué)理論支撐下進行的，具有很高的嚴謹性。但是拓撲優(yōu)化的特性導(dǎo)致自身優(yōu)化變量很多，計算量很大，因此設(shè)計變量在計算時難度很大，優(yōu)化后得到的多孔材料也缺乏實際的應(yīng)用價值，所以均勻化法在工程中使用得很少。

結(jié)束語

總之，汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展以及對新材料的應(yīng)用，使汽車制造業(yè)在成形加工技術(shù)以及連接技術(shù)上的突破和創(chuàng)新。在輕量化技術(shù)全面發(fā)展的同時，材料的應(yīng)用、工藝以及設(shè)計等層面也有了全面的成熟和進步。針對當(dāng)前的產(chǎn)品、工藝以及材料的設(shè)計混合結(jié)構(gòu)，簡單來說便是同一個總成零件可以有不同的材料組成，實現(xiàn)了材料和零件功能的有效組合，可以成為未來汽車設(shè)計的重要方向。

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（作者單位：長城汽車股份有限公司）