汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化研究

武守輝 鄭輝 焦鳳茂

摘 要：21世紀，汽車呈現(xiàn)出系統(tǒng)化、模塊化、輕量化、電子化和個性化的總體發(fā)展趨勢。當前，一次性能源的急劇減少和環(huán)境污染是全球兩大主要問題，汽車車身輕量化的重要性日益凸顯。低能耗、低排放、高性能的汽車是社會可持續(xù)發(fā)展的必然要求，車身結(jié)構(gòu)輕量化正是實現(xiàn)這一目標的有效方法。車身輕量化設計可以減少原材料的使用量，降低生產(chǎn)成本和油耗，減少尾氣排放，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。因此，本文從車身結(jié)構(gòu)設計、材料選擇、制造工藝等方面研究了如何實現(xiàn)汽車車身結(jié)構(gòu)的輕量化。

關(guān)鍵詞：輕量化;結(jié)構(gòu)設計;材料選擇;制造工藝

中圖分類號：U469.72文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）20-0051-03

Abstract：In the 21st century， automobiles present a general development trend of systematization， modularization， lightweight， electronic and personalization. At present， the sharp reduction of primary energy and environmental pollution are the two major problems in the world， and the importance of lightweight vehicle bodies is becoming increasingly prominent. Automobiles with low energy consumption， low emissions， and high performance are inevitable requirements for social sustainable development， lightweight body structure is an effective way to achieve this goal. Lightweight body design can reduce the use of raw materials， reduce production costs and fuel consumption， reduce exhaust emissions， and achieve energy conservation and environmental protection. Therefore， this paper studied how to realize the lightweighting of automobile body structure from the aspects of body structure design， material selection， manufacturing process and so on.

Keywords： iightweight;structural design;material selection;manufacturing process

汽車車身輕量化是世界汽車產(chǎn)業(yè)的重要研究課題[1-3]，是全球汽車廠商的共同選擇，是我國應對能源安全、新能源汽車發(fā)展的必然選擇，也是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然之路，對于提升汽車產(chǎn)品的核心競爭力，提高汽車企業(yè)的創(chuàng)新能力有重要意義。然而，汽車輕量化理論和技術(shù)的實施涉及汽車安全品質(zhì)、材料工藝、回收再利用等多學科多目標協(xié)同優(yōu)化問題[4-6]，特別是新能源汽車結(jié)構(gòu)特殊，人們需要掌握結(jié)構(gòu)輕量化的基本原理，遵循科學的設計方法和開發(fā)流程，并且把輕量化開發(fā)和研究的理念貫穿始終。主要就是運用各種技術(shù)手段，在保證汽車各項性能要求的前提下，降低整個車身及零部件總成的質(zhì)量，以實現(xiàn)汽車質(zhì)量降低的目的[7-9]。

1 國內(nèi)外車身輕量化研究的發(fā)展

1.1 國外車身輕量化的發(fā)展

國外超輕鋼技術(shù)發(fā)展比較迅猛，由于技術(shù)水平和汽車輕質(zhì)材料價格問題，鋼材還將在未來很長一段時間內(nèi)無法被替代。20世紀90年代，世界鋼鐵協(xié)會成立了超輕鋼技術(shù)項目組，重新設計汽車車身結(jié)構(gòu)，提升鋼材質(zhì)量，減輕相同性能下鋼材的使用量，達到車身輕量化的目標。該項目取得了矚目的成績——車身減重約25%。但是，其車身一階模態(tài)頻率、車身扭轉(zhuǎn)剛度和車身彎曲剛度都比原來有很大程度的提高。汽車生產(chǎn)成本比原來降低15%。

世界鋼鐵協(xié)會進行汽車車身輕量化的主要手段包括：利用高強度的板材替代傳統(tǒng)板材;利用新的生產(chǎn)工藝，如激光焊接工藝和液壓成型工藝等;使用有限元法對現(xiàn)有車身進行優(yōu)化設計，使用計算機仿真技術(shù)，以保證車身的各種性能指標達到標準。

碳纖維增強材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）強度高、剛性好、質(zhì)量小，它擁有優(yōu)秀的耐蠕變和耐腐蝕性，成為汽車輕量化最理想的材料。雖然碳纖維增強材料有眾多優(yōu)點，但是價格一直居高不下，現(xiàn)階段，碳纖維增強材料只用于高檔轎車或跑車上。

除了高強鋼和鋁合金外，鎂合金和復合材料等輕質(zhì)材料也在汽車車身中得到一定程度的應用。鎂具有良好的加工性、抗凹性、減震性，鎂合金密度大約是鋁合金的2/3，具有良好的輕量化應用潛力?？傮w來看，國際上，汽車輕量化技術(shù)已經(jīng)很成熟。

1.2 國內(nèi)車身輕量化的發(fā)展

目前，我國高強度鋼輕量化車身研究取得較大進展，寶鋼已形成TP、DP、DQ、BH及CQ等商業(yè)高強度鋼板品種，覆蓋了目前國外主要品種的生產(chǎn)，表明國內(nèi)高強度鋼系列已初步形成。

我國的汽車鋁合金用量與國外相比還有較大的差距，2011年美國汽車單車的平均用鋁量達到161 kg，2012年歐洲汽車單車的平均用鋁量為145 kg。但是，我國2010年乘用車單車的平均用鋁量僅相當于北美洲2000年的水平（119 kg）。

2008年，中國汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟在寧波正式成立。2016年，輕量化聯(lián)盟擁有19家成員單位、46家伙伴單位和6家觀察員單位。

從總體看，我國汽車輕量化技術(shù)發(fā)展主要面臨如下問題：輕量化技術(shù)涉及學科研究領域眾多，需要應用較多學科交叉融合所形成的綜合性、系統(tǒng)性知識體系，但是我國研究機構(gòu)目前只注重單個技術(shù)的開發(fā)，很少有各技術(shù)的交叉;車輛輕量化技術(shù)涉及許多常用技術(shù)和尖端技術(shù)，其核心技術(shù)的突破不可能由單一企業(yè)或研發(fā)機構(gòu)完成，國家必須有戰(zhàn)略性、前瞻性、協(xié)調(diào)性的部署，而我國缺乏此類機構(gòu);產(chǎn)學研結(jié)合不夠緊密，沒有明確分工。

由此可見，無論是理論方面還是實際運用方面，中國汽車輕量化技術(shù)發(fā)展與國外相比都有很大的差距，任重而道遠。

2 汽車輕量化理論與設計方法研究

汽車輕量化的問題是在最優(yōu)化的理論基礎上建立的，通常所說的優(yōu)化設計，就是根據(jù)實際的情況和問題，建立其優(yōu)化的數(shù)學模型，采取一定的最優(yōu)化方法，尋找既滿足約束條件又使目標函數(shù)最優(yōu)的設計方案。構(gòu)成結(jié)構(gòu)設計問題的三要素為：設計變量（Design Variable，DV）、狀態(tài)變量（State Variable，SV）、目標函數(shù)（the Objective Function，OBF）。具體方法如下。

在汽車結(jié)構(gòu)輕量化中，結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化是在確定結(jié)構(gòu)拓撲的前提下，用少量的尺寸來表示結(jié)構(gòu)的某些變化，然后建立基于這些維參數(shù)的數(shù)學模型，并采用優(yōu)化方法求解最優(yōu)維參數(shù)。

在尺寸優(yōu)化中，其設計變量大多數(shù)為材料參數(shù)（如說彈性模量和密度）和尺寸參數(shù)（如橫梁橫截面的尺寸、轉(zhuǎn)動慣量、彈性支承剛度、板材的厚度、兩個部件之間的連接剛度等）。

尺寸優(yōu)化是通過優(yōu)化一維梁單元的截面尺寸、二維板單元厚度等，尋找目標結(jié)構(gòu)件的最好截面尺寸，滿足其相對應的性能要求，性能優(yōu)化期間，結(jié)構(gòu)的形狀和拓撲結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化。尺寸優(yōu)化的一個重要方向是一維梁單元的截面尺寸優(yōu)化，從之前的結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在工業(yè)上用的各種型號鋼材，尺寸優(yōu)化已經(jīng)相對成熟，在給定結(jié)構(gòu)外形幾何、材料、單元類型、結(jié)構(gòu)布局的情況下，以截面的尺寸為設計因變量，尋求截面尺寸的最優(yōu)，以滿足性能要求并且實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，達到降低生產(chǎn)成本的目的。

3 汽車車身輕量化發(fā)展趨勢

3.1 利用高強度板材來代替?zhèn)鹘y(tǒng)板材

3.1.1 鋁合金。鋁合金在軸向載荷作用下會產(chǎn)生漸進疊縮穩(wěn)態(tài)變形，比吸能遠遠高于低碳鋼結(jié)構(gòu)。鋁合金作為緩沖吸能元件，在碰撞安全性方面有明顯的優(yōu)勢，而且應用于車身時，由于質(zhì)量降低，碰撞時產(chǎn)生的動能減小，所以其在汽車上的應用呈現(xiàn)連續(xù)增長趨勢。

3.1.2 鎂合金。鎂合金的彈性較弱，在同等的受力情況下會發(fā)生較大的變形。所以，使用鎂合金材料時，要提高鎂合金板材的厚度或者重新設計板材結(jié)構(gòu)。

3.1.3 多孔材料。在大自然中，有很多動物的筑巢方式值得人們學習，在向大自然的學習中，人們制造出各種各樣的用于能量吸收的輕質(zhì)多孔材料，如泡沫材料、蜂窩材料等。蜂窩材料用作吸能材料，具有明顯的方向性，用于各種夾芯板和薄壁填充管具有突出的優(yōu)勢。泡沫材料可分為開孔泡沫材料和閉孔泡沫材料兩種。其中，開口材料的抗壓性總體優(yōu)于閉孔材料。開孔材料又可以分為金屬材料和非金屬材料兩種。金屬泡沫材料，尤其是泡沫鋁，密度小、變形能力大、比吸能好，具有均勻穩(wěn)定的能量吸收特性曲線，是非常理想的能量吸收材料。但是，泡沫鋁含有空隙而且強度較低，在受到拉、壓、扭轉(zhuǎn)時容易發(fā)生斷裂破壞，而且破壞后不容易保持完整，故而一般將泡沫鋁作為薄壁管的填充材料。非金屬泡沫材料多用作汽車內(nèi)部裝置，作為裝飾材料和承重架中間的緩沖物。

3.2 其他方法

采用新的生產(chǎn)工藝，如激光焊接工藝、液壓成形工藝等。利用有限元法對現(xiàn)有的車身進行優(yōu)化設計，利用計算機仿真技術(shù)，提升車身的各種性能指標。

4 結(jié)論

隨著我國科學技術(shù)的進步，新的輕型復合材料越來越多，可用作汽車車身的材料越來越豐富，計算機仿真模擬精度越來越高，在保證汽車安全性能的前提下，汽車車身質(zhì)量逐漸降低。汽車輕量化對節(jié)能減排也有著極大的促進作用。

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