汽車車身輕量化研究與應(yīng)用

賈躍浪

徐州淮海新能源汽車配件有限公司，中國·江蘇 徐州 221000

汽車車身；輕量化；研究與應(yīng)用

1 引言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對汽車的功能性和舒適性的要求不斷提高，環(huán)境保護(hù)理念的深入人心使得人們越來越重視汽車的能源資源消耗以及污染問題。車身輕量化是減少汽車尾氣污染以及節(jié)約能源資源的重要途徑，隨著中國民用轎車的保有量不斷上升，導(dǎo)致城市環(huán)境污染程度不斷加重，因此加強(qiáng)汽車車身輕量化研究是十分必要的。

2 汽車車身輕量化的應(yīng)用

2.1 鋁合金與成型工藝的有效應(yīng)用

在汽車制造過程中應(yīng)用鋁材料能夠滿足相同力學(xué)條件下車身質(zhì)量下降的要求。相對于鋼材來說，鋁合金作為汽車材料能夠減少質(zhì)量的六成左右，而且比較容易回收，也不需要進(jìn)行防銹處理，具有十分強(qiáng)大的材料優(yōu)勢。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及鋁合金化技術(shù)的持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)步，在鋁材料中添加硅元素、鉻元素以及鎂元素等相關(guān)元素可以提高鋁材料的質(zhì)量與性能，獲得高強(qiáng)度的鋁合金材料，為汽車配件的高質(zhì)量和輕量化研究提供了技術(shù)支持。汽車車身的成型工藝主要包括液態(tài)成型、塑性成形以及連接成型等，結(jié)合不同的車身材料需要選擇適合的成型工藝，并根據(jù)實際汽車工作要求以及工作環(huán)境達(dá)到符合使用性能而且降低污染的目的。鋁合金材料成型工藝主要為焊接和沖壓，這是由鋁合金具有良好的延展性以及較高的可焊性決定的。中國很多學(xué)者都對鋁合金的焊接工藝進(jìn)行了研究，并提出了可靠的鋁合金焊接措施。結(jié)合鋁合金焊接的技術(shù)特點，科學(xué)地選擇車身焊接方法能夠顯著提高汽車車身輕量化的研究質(zhì)量，促進(jìn)汽車車身輕量化的進(jìn)一步發(fā)展。計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及信息時代的全面到來使得汽車車身材料開發(fā)與制備過程中，開始運用各種各樣的模擬軟件及數(shù)值分析軟件，通過科學(xué)的模擬可以減少實驗的次數(shù)，結(jié)合熱模擬模型建立的應(yīng)力應(yīng)變曲線能夠構(gòu)建鋁合金穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力本構(gòu)方程，從而可以為鋁合金的扭轉(zhuǎn)雜志以及擠壓等熱加工工藝的制定以及相關(guān)流程的確定提供數(shù)據(jù)參考。自沖鉚接技術(shù)在鋁合金材料應(yīng)用過程中也獲得了有效的應(yīng)用，自沖鉚接技術(shù)是一種連接兩種或兩種以上材料的冷銜街技術(shù)，通過形成牢固的鉚接點保證兩種材料可以有效連接到一起，為車身成型提供了另一種方法。在車身輕量化研究過程中涉及到板料的沖壓過程，在這個過程中往往會存在塑性變形與彈性變形的問題，從而導(dǎo)致材料出現(xiàn)起皺、回彈以及裂紋等不良現(xiàn)象，影響材料的使用性質(zhì)。利用計算機(jī)技術(shù)仿真實驗代替實際的沖壓實驗，能夠得到回彈偏差以及回彈的影響因素，并建立公益穩(wěn)健性和敏感因素分析設(shè)計，使得鋁合金板在沖壓成形過程中的進(jìn)一步應(yīng)用成為了可能[1]。

2.2 新型高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用

鋼鐵材料是汽車車身制造過程中最為常用的材料之一，隨著材料工業(yè)的不斷發(fā)展，先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼板的使用可以規(guī)范未來汽車輕量化的發(fā)展方向，使用高強(qiáng)度的鋼材能夠減少車身重量的20%左右，節(jié)約汽車制造成本，而且相應(yīng)的材料設(shè)計更加具有舒適性和安全性的特征。目前，常見的兩種高強(qiáng)度新型鋼材主要為PHS 鋼板以及QP 鋼板，PHS 鋼板目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)建筑并發(fā)展了多種形式的鋼材板件。QP 鋼板具有超高的強(qiáng)度而且還具有較好的延伸率，能夠適用于強(qiáng)制要求相對較高以及外形相對比較復(fù)雜的沖壓件制造過程中。作為第三代先進(jìn)的高強(qiáng)度的鋼種，PHS 鋼板以及QP 鋼板具有高塑性、高強(qiáng)度的特點，在車身輕量化研究過程中有著十分重要的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景。目前，應(yīng)用最多的高強(qiáng)度鋼材為QP 鋼材，比較適合用于制作車身結(jié)構(gòu)件和傳力路徑上面相對比較復(fù)雜的零件設(shè)備，而且對于傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋼板來說，QP 鋼板的成本以及重量都能夠獲得有效地滿足汽車車身輕量化研究的需求[2]。

3 汽車車身輕量化技術(shù)

3.1 熱成型技術(shù)

熱成型技術(shù)是汽車車身輕量化研究過程中最為常用的技術(shù)手段之一，主要是通過將車身的高強(qiáng)度鋼進(jìn)行加熱使鋼板能夠達(dá)到奧氏體溫度，并進(jìn)行快速的沖壓成型，利用模具進(jìn)行保壓過程并進(jìn)行淬火，提高鋼板的使用性能，使得鋼板需要的溫度得到馬氏體均勻的組織構(gòu)建，得到的零件即為高強(qiáng)度的零件，強(qiáng)度能夠滿足車輛設(shè)備的使用需求。熱成型技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢可以保證生產(chǎn)出來的材料以及零件具有極高的強(qiáng)度和良好的延展性，穩(wěn)定性較高、成型精度較好，在成型之后不會出現(xiàn)材料問題，質(zhì)量較輕、碰撞性能良好[3]。

3.2 汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

在汽車車身制造之前進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是保證汽車車身輕量化能夠達(dá)到需求效果的前提，以車身造型設(shè)計為基礎(chǔ)開展車身的功能設(shè)計及強(qiáng)度設(shè)計，并找出最合理的車身結(jié)構(gòu)形式可以為實現(xiàn)汽車車身輕量化創(chuàng)造良好的環(huán)境。汽車車身輕量化設(shè)計圖紙的質(zhì)量直接關(guān)系到汽車車身輕量化的水平以及車身的各種功能是否能夠得到有效的發(fā)揮，是車身制造與開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得汽車車身輕量化設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計精度獲得了有效的提升，在汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計方面發(fā)揮著巨大的作用。對設(shè)計后的汽車環(huán)境進(jìn)行信息數(shù)字模擬，從而能夠使得工作人員可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計之后汽車存在的問題，并采取有效措施進(jìn)行優(yōu)化和解決。在進(jìn)行計算機(jī)模擬的過程中，需要聯(lián)合使用各種數(shù)值分析方法科學(xué)地進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，采取具體問題具體分析的觀點，解決相關(guān)問題，保證車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的效果。計算機(jī)技術(shù)還可以對多種材料結(jié)構(gòu)的汽車車身進(jìn)行有效的輕量化設(shè)計工作，為車身的輕量化設(shè)計提供了更加廣闊和科學(xué)的視角，利用車身材料與結(jié)構(gòu)組合多目標(biāo)優(yōu)化的途徑，可以確定車身每一個元件最合適的結(jié)構(gòu)尺寸以及材料類型。對于傳統(tǒng)的設(shè)計方法來說，可以使得多材料的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計更加的科學(xué)和系統(tǒng)，優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計還可以減少單位生產(chǎn)成本，提高汽車制造工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的汽車車身設(shè)計工作為了進(jìn)行汽車性能的測試需要開展碰撞實驗，不僅會造成資源的浪費，還嚴(yán)重影響汽車的制造效率。應(yīng)用計算機(jī)軟件進(jìn)行碰撞系統(tǒng)的模擬能夠更加靈活地進(jìn)行問題的分析，并結(jié)合數(shù)據(jù)系統(tǒng)建立出近似模型階段，可以明確不同實驗方法對模型精度的影響，獲得相關(guān)汽車車身輕量化制造的碰撞數(shù)據(jù)，并持續(xù)進(jìn)行汽車車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。以某車身前部結(jié)構(gòu)輕量化為例，在利用支持向量回歸建立近似模型階段分析比較了幾種常用的試驗設(shè)計方法對模型精度的影響，在保證耐撞性能的前提下，達(dá)到減重2.1kg，實現(xiàn)6.5%輕量化的效果[4]。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對汽車車身輕量化研究的需求越來越高，論文主要針對汽車車身輕量化的材料的有效應(yīng)用進(jìn)行探究，指出汽車車身輕量化的具體成型技術(shù)，希望能夠為汽車車身輕量化的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供一定的參考。