汽車工程中輕量化技術(shù)的應(yīng)用探討

徐蘊(yùn)達(dá)

摘 要：目前，在我國汽車制造行業(yè)發(fā)展中，汽車的制造工藝在不斷優(yōu)化創(chuàng)新，其中輕量化技術(shù)的應(yīng)用可以有效降低汽車的能源消耗問題，減少對環(huán)境的污染，達(dá)到節(jié)能減排的目的，比較符合我國現(xiàn)階段的節(jié)能減排理念，也是我國汽車制造行業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。基于此。本文通過分析輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期加強(qiáng)技術(shù)推廣力度，充分發(fā)揮技術(shù)應(yīng)用效能。

關(guān)鍵詞：汽車工程;輕量化技術(shù);應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類號：U462.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

輕量化技術(shù)主要是對汽車設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確保能夠在滿足汽車使用需求的前提下，盡可能的減輕車身的質(zhì)量，從而達(dá)到控制汽車能耗、改善操作性能、降低排氣污染等目的，是現(xiàn)階段解決溫室氣體排放問題和緩解石油資源短缺的主要途徑。

1 輕量化技術(shù)在汽車工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

1.1 尺寸優(yōu)化

從技術(shù)發(fā)展的角度來看，其中出現(xiàn)最早的一項技術(shù)手段應(yīng)該是汽車結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，以車輛結(jié)構(gòu)、零部件的規(guī)格尺寸為主要設(shè)計變量因素，如壁厚值、減重孔尺寸等。對于不同車輛在不同車況中的行駛情景進(jìn)行模擬，對車輛的結(jié)構(gòu)規(guī)格尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并實時觀測汽車行駛情況與零部件運(yùn)行工況，結(jié)合模擬的結(jié)果確定各項結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計的約束條件。相關(guān)設(shè)計工作者要構(gòu)建配套的函數(shù)優(yōu)化模型，導(dǎo)入特定的數(shù)學(xué)公式，準(zhǔn)確獲取位移靈敏度、應(yīng)力靈敏度、固有頻率靈敏度、特征值靈敏度等計算結(jié)果，為車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。例如，在進(jìn)行車輛車門結(jié)構(gòu)固有振動頻率以及剛度調(diào)整的基礎(chǔ)上，將車門結(jié)構(gòu)的自重量進(jìn)行適當(dāng)減輕，但是并不會對車輛結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、平穩(wěn)性以及安全系數(shù)上造成任何不利的影響，進(jìn)而更好地實現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計的目的。除此之外，在進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)尺寸輕量化設(shè)計的過程中，參與設(shè)計的工作人員一定不能忽略特征值靈敏度、應(yīng)力靈敏度與線性靜力等問題。與此同時，必須要重點關(guān)注車輛在行駛過程中可能出現(xiàn)碰撞時車輛所具備的安全性。在出現(xiàn)交通安全事故、車輛與安全防護(hù)設(shè)施或是其他障礙物、車輛相撞時，由于碰撞過程是一項非線性問題，設(shè)計工作者難以準(zhǔn)確獲取車輛碰撞靈敏度等信息。針對這些情況，相關(guān)設(shè)計人員可以選擇應(yīng)用近似模型設(shè)計法，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有限元模型，準(zhǔn)確地計算出車輛在碰撞時所產(chǎn)生的線性荷載值，并以此作為設(shè)計數(shù)據(jù)的主要來源和依據(jù)。

1.2 拓?fù)鋬?yōu)化

在進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的過程中，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計是設(shè)計人員將各類材料的空間分布情況為主要設(shè)計對象，導(dǎo)入特定算法，即可準(zhǔn)確計算車輛結(jié)構(gòu)的最佳方法和路徑。與此同時，參與設(shè)計的工作人員要結(jié)合車輛的實際情況，選擇適合的拓?fù)鋬?yōu)化手段。例如，設(shè)計工作人員在運(yùn)用變密度拓?fù)鋬?yōu)化的手段時，要將設(shè)計變量當(dāng)作是材料的彈性模量以及質(zhì)量之間保持緊密聯(lián)系狀態(tài)而體現(xiàn)出的一種變量因素，而并不是將其看作是材料本身的實際密度。以材料插值函數(shù)為主要劃分依據(jù)，針對性構(gòu)建各類材料的有理近似模型、微結(jié)構(gòu)懲罰模型，模型結(jié)構(gòu)將直觀顯示不同材料分布情況下的中間密度單元、生成拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。除此之外，該項拓?fù)鋬?yōu)化手段只能應(yīng)用于中小型車輛，針對那些運(yùn)用離散結(jié)構(gòu)的大型客車等車型，設(shè)計人員要運(yùn)用基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)法，并對現(xiàn)有的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，即可取得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.3 形狀優(yōu)化

在進(jìn)行車輛結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計環(huán)節(jié)中，展開形狀優(yōu)化設(shè)計工作的主要目的是通過對車輛整體結(jié)構(gòu)與局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，對車輛整體結(jié)構(gòu)的受力情況予以改善，使各類材料的應(yīng)用性能與應(yīng)用屬性都能夠更好地得到發(fā)揮。與此同時，設(shè)計人員要依據(jù)車輛的幾何外形結(jié)構(gòu)，采取最適宜的優(yōu)化設(shè)計方案。例如，當(dāng)車輛的幾何外形不規(guī)則時，可以運(yùn)用無參數(shù)形狀優(yōu)化的方法，對車輛的梁結(jié)構(gòu)截面，減重孔的形狀等結(jié)構(gòu)同時進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2 輕量化材料在汽車工程中的應(yīng)用

2.1 高強(qiáng)度鋼

隨著材料學(xué)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，自從高強(qiáng)度鋼問世以來，便在汽車制造行業(yè)中的得到了極其廣泛的應(yīng)用，在改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量等方面也起到了重要的作用。就目前的情況來看，我們可以將高強(qiáng)度鋼劃分為先進(jìn)高強(qiáng)鋼以及普通高強(qiáng)鋼，對于不同類型的鋼材其性能和質(zhì)量也存在很大的差異。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果表面，將車輛主體材料更換為高強(qiáng)度鋼時，可以將車身質(zhì)量縮減至車輛原質(zhì)量的百分之七十五左右。以DP雙相鋼為例，這類鋼材由馬氏體以及鐵素體加以組成，其中，馬氏體含量在10%～15%區(qū)間范圍內(nèi)，并且其含量越大，則鋼體的強(qiáng)度就會越高。此外，DP鋼還具有良好的抗疲勞性與伸長性能，所以通常都被運(yùn)用于車身結(jié)構(gòu)中的前內(nèi)縱梁、前后保險杠、中支柱里板等零部件與安全件。

2.2 塑料及復(fù)合材料

在我國汽車制造行業(yè)早期發(fā)展階段，在塑料與纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)方面的工藝并不成熟，材料的性能和質(zhì)量也相對較差，在制造的成本方面也比較昂貴。但隨著材料學(xué)的快速進(jìn)步，以及在生產(chǎn)工藝上的優(yōu)化和調(diào)整，塑料與復(fù)合材料已經(jīng)漸漸成為汽車車身結(jié)構(gòu)所運(yùn)用的主要材料，在能夠確保車身結(jié)構(gòu)性能質(zhì)量的基礎(chǔ)上，還能在很大程度上降低車身的質(zhì)量。通過相關(guān)的調(diào)查我們發(fā)現(xiàn)，目前，各類塑料與復(fù)合材料在車身結(jié)構(gòu)中的平均使用量已經(jīng)超過160 kg，幾乎占據(jù)車身整體質(zhì)量的百分之二十以上。例如，對聚丙烯、聚碳酸酯等材料被廣泛用于車身結(jié)構(gòu)中的腳踏板、遮陽板、護(hù)板、發(fā)動機(jī)罩、后牽門等位置;而長纖維熱塑性復(fù)合材料則被用于車門結(jié)構(gòu)、保險杠、儀表盤等位置，而在寶馬I3款電動車中，以碳纖維材料為車身底盤主體材料，實際質(zhì)量僅為傳統(tǒng)底盤的一半左右。

2.3 鋁合金與鎂合金

與傳統(tǒng)的鋼鐵材料進(jìn)行對比，鎂合金材料則具備非常突出的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、塑性以及耐腐蝕性等。我們所熟知的客車企業(yè)在近些年所推售的最新款新能源車輛中，其車?yán)锏姆鍪止艿仍蠖疾捎玫逆V合金材料，這不僅能夠在一定程度上有效的減輕了車身的實際質(zhì)量，還大幅度增強(qiáng)了扶手管等元件的性能和質(zhì)量。鋁合金的最主要特點即是其在加工方面的難度較低，而且質(zhì)量也比較小，也是目前汽車車身結(jié)構(gòu)的主要用材之一。結(jié)合現(xiàn)階段的汽車結(jié)構(gòu)來看，鋁合金的平均使用量已經(jīng)達(dá)到180 kg，同樣占據(jù)了車身總質(zhì)量的百分之二十以上，多被用于制造汽車的發(fā)動機(jī)、發(fā)動機(jī)托架等位置。

3 輕量化制造工藝在汽車工程中的應(yīng)用

3.1 激光焊接

激光焊接是一項比較新穎的精密焊接工藝，其熱源主要是激光，該技術(shù)的主要特點在于其工藝流程簡單、變形量小以及熱輸入小等，在汽車制造領(lǐng)域中也得到了更加廣泛的應(yīng)用，而且很快會取代傳統(tǒng)的多種焊接工藝。例如，在變速箱齒輪焊接加工環(huán)節(jié)，運(yùn)用此項焊接工藝，既可以將焊接變形問題的出現(xiàn)率控制在較低程度內(nèi)，還可以簡化尺寸焊接后熱處理工序環(huán)節(jié)，客觀上提高了齒輪焊接效率。

3.2 液壓成型

在汽車制造領(lǐng)域中，與沖壓工藝相比，液壓成型工藝具有加工成本低、車身質(zhì)量輕量化效果明顯、工藝流程簡單等優(yōu)勢，工作人員僅需將工件放置在模具中，操縱相應(yīng)設(shè)備對工件進(jìn)行液壓處理，工件受到壓力將出現(xiàn)塑形變形現(xiàn)象，加工成特定造型結(jié)構(gòu)的零部件。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，對液壓成型工藝的應(yīng)用，可將車身質(zhì)量縮減7.5%左右、零件加工成本縮減10%。

4 結(jié)束語

綜上所述，為推動汽車制造行業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程，貫徹落實我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，各企業(yè)必須加強(qiáng)對輕量化技術(shù)的應(yīng)用力度，靈活運(yùn)用各項技術(shù)手段，深入挖掘技術(shù)潛在應(yīng)用價值，推動汽車設(shè)計制造體系的輕量化、集成化與系統(tǒng)化發(fā)展。

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