新能源汽車車身輕量化設計理念探究

劉鋒

摘 要：隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對汽車行業(yè)也提出了新的要求？如何在保證質(zhì)量的前提下做到節(jié)能減排成為了汽車領域里的新挑戰(zhàn)。很快，新能源汽車誕生，通過采用更為科學的能源與燃油系統(tǒng)，極大程度上降低了對環(huán)境的污染，被更多的人民群眾所關注。新能源汽車的車身設計與傳統(tǒng)的汽車相比差別極大，因此設計過程中，需要高度重視車身的輕量化設計。本文通過對新能源汽車車身輕量化的設計理念深入探究，提升大家對汽車車身輕量化設計的進一步了解。

關鍵詞：新能源汽車 車身輕量化 設計理念

1 引言

隨著人們的環(huán)保意識不斷增強，日常的衣食住行方面愈發(fā)注重使用環(huán)保節(jié)能的產(chǎn)品。同時，我國提倡綠色發(fā)展，為順應時代潮流，汽車行業(yè)也是進行了很大的改革，對環(huán)保節(jié)能的理念更為重視。我們都知道，世界各個國家的常規(guī)能源都是有限的，因此資源形勢問題變得愈發(fā)嚴峻，新能源兼具環(huán)境保護和降低耗能的特性使得它成為汽車行業(yè)的重點發(fā)展方向?？梢哉f，新能源汽車的投入與推廣，將大幅度推動汽車行業(yè)的能源結構轉型。但是與此相對的，新能源汽車在發(fā)展過程中也遇到了很多的難題和障礙，汽車車身的輕量化設計就是問題之一，能否有效解決這一難題，將對我國汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展影響深遠。

2 新能源汽車的車身輕量化設計理念從何而來

早在上世紀50年代，歐洲等發(fā)達國家的汽車生產(chǎn)商就開始了針對汽車車身輕量化方面的研究，并取得了很大的成果。例如，我們都知道的特斯拉電動汽車，其整體車身95%以上采用的都是鋁材，鋁材由于密度較小，具有很強的防腐蝕性和高壽命，即使惡劣的環(huán)境也能很好的適應，因此大大提升了汽車的整體續(xù)航能力。我國對新能源汽車的研究雖然晚了一步，但是我們國內(nèi)的汽車生產(chǎn)商也在努力將新能源汽車推入國內(nèi)市場。眾所周知，新能源汽車在環(huán)境保護、節(jié)約資源方面有很大的優(yōu)勢，可以說是我國汽車行業(yè)能源結構轉型的重要基石，有極其重要的戰(zhàn)略意義和商業(yè)價值。然而，任何事情都不是一蹴而就的，新能源汽車的研發(fā)過程也是極為坎坷，伴隨著各種各樣的問題，嚴重影響了研發(fā)進度，阻礙汽車行業(yè)的發(fā)展。其中一個就是難題就是新能源汽車采用的電池能量質(zhì)量比不高，導致新能源汽車的能量消耗過大，無法達到理想的續(xù)航里程[1]。在新能源汽車的設計中，以電池為主的動力驅動系統(tǒng)，約占總車質(zhì)量的30%到40%，同時由于其采用的能源與燃油驅動系統(tǒng)和傳統(tǒng)的大不相同，因此無法像傳統(tǒng)的汽車那樣依靠燃油補充增加續(xù)航里程。鑒于現(xiàn)階段的電池技術還不能滿足新能源汽車的發(fā)展需要，因此，為了更好的保障新能源汽車的續(xù)航能力，在重視新能源汽車電氣化的同時也不能忽略汽車車身的輕量化設計。因此，為了更好的推動新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，對于車身的輕量化設計是我們必須要走也一定要走到底的一條道路。

什么是汽車車身輕量化設計？通俗來講就是將新能源汽車的整體質(zhì)量與整體尺寸都盡可能的縮小，使新能源汽車在滿足日常載人載物需要的同時保持自身耗能在可控范圍內(nèi)，延長續(xù)航距離。較小的質(zhì)量與尺寸就要求更輕、更小的汽車車身結構，由于新能源汽車采用的是以電池為主的動力驅動系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的汽車差距較大，因此對新能源汽車的車身輕量化設計無法提供很好的指導經(jīng)驗[2]。為了更好的解決這一難題，設計人員要積極提升專業(yè)水平，不斷積累經(jīng)驗，參考借鑒傳統(tǒng)的汽車車身設計經(jīng)驗，同時結合新能源汽車的設計需求，不斷創(chuàng)新改進研究設計，爭取早日攻克這一難關，更好的實現(xiàn)輕量化設計。

3 新能源汽車車身輕量化設計理念解析

對于新能汽車汽車輕量化設計，如何才能快速的取得科研成果呢？合理的設計理念、結構的優(yōu)化改革、有限元理念分析及新型材料的運用都是影響其發(fā)展的核心因素，下文們將對以上四種因素進行詳盡剖析。

3.1 設計合理理念

在整個新能源汽車的車身輕量化設計中，設立理念至關重要，設計理念是設計師在設計活動中對產(chǎn)品的的主導思想，可以說是精髓所在。因此，在新能源汽車的車身輕量化設計中，合理的設計理念是最基本也是最關鍵的核心所在。設計的科學合理性有助于汽車車身結構達到最大限度的優(yōu)化，而在優(yōu)化輕量化車身時，設計人員首先要考慮新能源汽車的動態(tài)和靜態(tài)性能，其次要格外重視模態(tài)分析和數(shù)值模態(tài)分析。傳統(tǒng)意義上的車身輕量化設計是指在保證汽車的碰撞安全性、動靜態(tài)剛性等性能下，通過降低車身質(zhì)量來降低整車質(zhì)量，從而達到降低能源消耗，提高汽車性能的目的。新能源汽車的車身輕量化設計概念主要體現(xiàn)在兩點，其一，在概念設計階段對車身機構或零部件進行優(yōu)化設計，保證其滿足各項性能的前提下，降低其車身質(zhì)量;其二，車身采用低密度的材料，如鈦合金、復合材料等，通過對輕質(zhì)材料的應用，提升新能源汽車的續(xù)航里程。設計人員也要做到加強設計時的溝通交流，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，進而最大限度的保障設計的科學和可行性。總而言之，在新能源汽車的發(fā)展過程中，合理的設計理念是其中的重要組成部分。

3.2 結構優(yōu)化設計理念

我們經(jīng)常會在很多的場合或者文件中聽到或看到過結構優(yōu)化這個詞語?？梢哉f，不管是經(jīng)濟發(fā)展抑或是企業(yè)發(fā)展，再或者是建筑工程發(fā)展，要想實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化，進行結構優(yōu)化是必然要走的一條道路。因此，為了更好的促進新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，進行結構優(yōu)化設計是其中必不可少的一個環(huán)節(jié)。結構優(yōu)化設計在給定約束條件下，按某種目標（如重量最輕、成本最低、剛度最大等）求出最好的最科學設計的理論方法。新能源汽車車身的輕量化設計采用的便是這一設計理念。結構優(yōu)化設計理念要求在設計方案滿足最基本的基礎和原則的前提下，從可行方案中選擇最符合設計要求的設計結果[3]。通過結構優(yōu)化設計將原有的系統(tǒng)轉換成數(shù)學模型，按照實際需要取舍其中的設計變量，更好的實現(xiàn)設計要求。

3.3 有限元理念分析

什么是有效元？有效元分析就是用較簡單的問題代替復雜問題然后求解，把一個完整的這整體的結構分解為若干的子單元，把這些若干的子單元進行相連接，然后將這些連接的單元整體組合成與原結構相仿的組織。在新能源汽車的車身輕量化設計中，通過合理的利用有限元理念，把車身機構或零部件，例如車門這樣的整體模型轉化為若干的子單元的模式。運用有限元方法進行結構優(yōu)化一般分為三種形式：結構的拓撲優(yōu)化設計、形貌優(yōu)化設計、尺寸優(yōu)化設計。

結構的拓撲優(yōu)化設計是一種根據(jù)給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學方法，是結構優(yōu)化的一種。這種優(yōu)化設計有更多的設計自由度，也能夠獲得更大的設計空間，與此同時，拓撲優(yōu)化技術隨著日漸成熟也衍生出了均勻化方法、水平集法及變密度法等新的形式[4]。形貌優(yōu)化設計，是在已有薄板上尋找新的凸臺分布，提高局部剛度，例如，在設計新能源汽車車身的金屬零件時，運用形貌優(yōu)化設計，提高局部剛度，如此便可以減輕零件的質(zhì)量，達到輕量化效果。形貌優(yōu)化設計總結來說就是，通過尋找新的凸臺分布達到減少質(zhì)量的目的，同時增加局部剛度。尺寸優(yōu)化設計，主要通過改變一維梁單元的截面尺寸和二維板單元的厚度來優(yōu)化結構的截面尺寸，從而滿足汽車的性能。在新能源汽車尺寸優(yōu)化過程中注意結構件的形狀和拓撲結構是不變的，在保證汽車的安全性能的基礎上實現(xiàn)車身輕量化的目的。

3.4 創(chuàng)新材料理念

新能源汽車車身輕量化的設計發(fā)展，離不開新型材料的使用。在我國，用來減輕汽車重量的新型材料分為兩大類，一類是強度高的材質(zhì)，另一類是質(zhì)量較輕的材質(zhì)[5]。強度高的材質(zhì)，比如高強度不銹鋼、結構性鋼、粉末冶金材料等，質(zhì)量較輕的材質(zhì)，比如鋁合金、鎂合金、鈦合金等。在實際應用中，例如，鎂合金可以做鋼鐵材料的替代，具有突出的震性和抗凹性;高強度鋼和先進高強度鋼是汽車輕量化而又保證安全的基礎材料;塑料復合材料密度較小，具有良好的抗腐蝕性，汽車零部件使用塑料復合材料加工簡單，擁有良好的的耐沖擊性能和絕熱性能等。總結看來，在新能源汽車車身的輕量化設計中充分利用好新型材料，將大大減少汽車的能源消耗，同時有效的減少對環(huán)境的污染，在一定程度上保護了環(huán)境。

4 結束語

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國提出了可持續(xù)發(fā)展的科學發(fā)展觀。新能源汽車的普及拓展，對于保護我國的社會環(huán)境有重要的戰(zhàn)略意義。在新能源汽車的車身設計中，車身輕量化設計是汽車節(jié)能減排的重要技術途徑，如何通過汽車車身輕量化技術的開發(fā)實踐提升新能源汽車的發(fā)展，是我們當下要思考的問題。在新能源汽車輕量化的設計中，以科學先進的理論為指導，并結合實際進行改進，有助于實現(xiàn)輕量化的設計目標，同時對于推動新能源汽車在我國的普及使用有積極深遠的影響。

參考文獻：

[1]胡越鵬[1].汽車車身輕量化設計理念探究[J].大眾汽車，2019，25（8）.

[2]杜軼姝.新能源汽車車身輕量化設計理念探究[J].藝術科技，2017，30（10）.

[3]李天逸. 輕量化汽車的造型設計研究[J].北京化工大學，2018.

[4]王帥，孫洋.新能源汽車輕量化技術路線和應用策略[J].汽車實用技術，2019（10）：46-48+65.

[5]袁博.車身輕量化技術對新能源汽車性能的提升研究[J].汽車文摘，2019（05）：39-42.