汽車結構設計輕量化設計方法探析

周 磊

（中國公路車輛機械有限公司，北京 100055）

隨著我國汽車設計制造產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，輕量化設計已經(jīng)逐步成為了一種主流發(fā)展方向。設計人員結合汽車結構設計要求，正確應用輕量化設計方法，在保證性能的基礎上，實現(xiàn)了節(jié)能減排。汽車輕量化設計工作，對設計人員的專業(yè)能力具有較高要求，既要減輕重量，又要提升性能。之所以汽車結構輕量化設計理念被廣泛應用，主要就是因為目前人們節(jié)能環(huán)保意識不斷提升，使汽車結構設計行業(yè)注重追求輕量、環(huán)保、安全，在正確應用輕量化結構設計方法之后，可以滿足我國汽車設計制造行業(yè)發(fā)展要求。本文從汽車結構特點和設計要求入手，結合汽車結構輕量化設計優(yōu)勢展開闡述，針對如何高效利用輕量化設計方法做好汽車結構設計工作進行全面探討。

1 汽車結構特點和設計要求

1.1 車身結構特點

汽車車身不僅只是一個功能單元，也是一個非常重要的承重單元?；诖?，車身作為功能單元之后，能夠給駕駛員提供更加便利的駕駛環(huán)境，甚至也可以為乘客提供舒適的乘坐環(huán)境。性能達標的車機身結構和安全保護系統(tǒng)，一般都是由車身框架、底盤、車架等零部件共同組成，并且還會在汽車行駛中承擔相應的荷載作用。車身結構具有較強的廣泛性、車身造型設計和材料具有多樣性。

在對汽車結構進行分類時，可以具體分為兩大類：

一是車身結構為非承重車身，具有剛性車架，其還被稱為“底盤主梁”。一般狀況下，這種類型的車身結構，都是以重型結構為主，在卡車、公共汽車、越野車輛設計中的應用率更高，不僅具備較強的穩(wěn)定和安全性，也能防止乘客顛簸[1]。

二是承重結構車身，與前一種類型的車身結構進行比較，其實際上是一個整體，沒有鋼架，懸掛直接與汽車車身連接，具有質量小、高度低、容易裝配等特征，一般在設計轎車車身結構時會應用到。

1.2 汽車結構設計要求

汽車整體是由多種不同類型的部件共同構建而成的，如車身結構就是其中非常重要的一種部件。為了保證汽車駕駛安全，車身結構需要具備足夠的強度，否則一旦發(fā)生事故就會對人身安全造成嚴重威脅。對于汽車而言，也要在具備足夠的剛度之后再正常運行，無形中就會在汽車結構設計方面提出諸多要求，具體如下。

汽車結構設計人員在日常設計過程中，要在保證汽車性能和功能的基礎上，突出外觀美觀性和修飾性；空氣動力系統(tǒng)性能也要符合汽車制造行業(yè)標準，方便車身的維修、裝配、拆卸。如果從汽車形狀和結構的角度對設計要求進行研究，就會發(fā)現(xiàn)汽車車身外殼實際上是由諸多空間表面形狀的大型面板共同組成，這就要在落實設計工作時不斷優(yōu)化車身結構設計方案。始終都要保證車體外形合理，這樣可以有效引導車體周圍的氣流，對于提升汽車動力性、燃油經(jīng)濟性、駕駛安全性具有重要意義[2]。除此之外，在初期設計階段，車身結構設計人員就要細致分析數(shù)據(jù)，否則極易在批量生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常噪聲和故障等風險。為了做好汽車結構設計工作，需要將功能實現(xiàn)這項工作作為基礎條件，在保證車身外觀同時，使汽車具備良好的氣動性能，為后續(xù)人們維護提供便利。

2 汽車結構輕量化設計優(yōu)勢

深入研究“汽車車身輕量化”這一設計理念，可知主要內(nèi)容就是指在保證汽車正常運行、安全性、駕駛舒適性的基礎上，科學合理的減輕汽車重量。社會在發(fā)展過程中越來越注重節(jié)能環(huán)保工作，我國汽車制造業(yè)如果想要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標，就要全面結合節(jié)能減排這一主流發(fā)展趨勢，制定有助于推動汽車行業(yè)發(fā)展的指導性方案。實際上，充分利用輕量化設計方法設計汽車結構，最終目標就是落實節(jié)能減排工作。合理減輕汽車重量，是傳統(tǒng)內(nèi)燃機和新能源汽車實現(xiàn)節(jié)能減排目標的一種重要方式。但是對于普通形式下的汽車而言，汽車車身質量一般約占汽車整體質量的22%-25%，無形中就會使汽車結構設計工作面臨雙重挑戰(zhàn)?？紤]到目前人們在汽車舒適度和安全性等方面提出的要求不斷增多，這就要結合汽車結構設計要求，充分利用輕量化設計方法。本文從以下三個方面細致分析輕量化設計方法的應用優(yōu)勢，為后續(xù)提升汽車結構輕量化設計效果提供參考依據(jù)。

一是優(yōu)化汽車結構設計。汽車結構設計人員在實際工作期間，要充分利用夾芯板，增強汽車結構輕度。在提升原材料利用率同時，能夠顯著減輕汽車自身重量。

二是優(yōu)化零部件設計。設計人員結合結構設計要求應用輕量化設計方法，可以使汽車結構的各個部分處于高度集成化狀態(tài)，有助于減少集成部門的重量。不僅如此，在汽車結構設計和制造一體化的作用下，汽車零件的輕度和耐腐蝕性等都會得到相應的提升，這對于降低汽車故障率具有重要意義。

三是優(yōu)化連接方式。在輕量化設計方法充分發(fā)揮應用價值之后，可以優(yōu)化汽車結構中各個零部件的連接方式[3]。目前在我國汽車制造領域，逐步出現(xiàn)了越來越多的高科技材料，既能提升汽車零部件連接可靠性，也能顯著降低汽車自重。

3 汽車結構設計中輕量化設計方法應用策略

我國汽車制造行業(yè)將節(jié)能環(huán)保這一理念作為主要依據(jù)，制定具有環(huán)保特征的設計制造方案，最終目的就是減少汽車尾氣排放量。輕量化設計方法是節(jié)能減排的一種重要實現(xiàn)路徑，在保證汽車安全和性能達標的基礎上，滿足車身剛度、疲勞耐久性、穩(wěn)定操作性等多個方面的要求。經(jīng)過上述分析，可知在實際開展汽車結構設計工作中，正確利用輕量化設計技術，具備諸多優(yōu)勢，能夠滿足汽車結構設計安全和質量要求。在輕量化技術充分發(fā)揮應用優(yōu)勢之后，能夠優(yōu)化汽車結構設計體系、優(yōu)化零部件設計機制、優(yōu)化連接方式。現(xiàn)階段我國汽車行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新過程中，對技術具有較高要求，典型的轎車和商用車，需要結合設計要求，利用輕量化設計材料和技術，在保證汽車性能符合要求的基礎上，為后續(xù)推動我國汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術支撐。

3.1 尺寸優(yōu)化方法

尺寸優(yōu)化這種類型的輕量化設計方法，主要就是在給定的結構型式、材料、布局、幾何形狀的基礎上，優(yōu)化汽車結構設計中實際應用構件的截面尺寸，從而使汽車結構實現(xiàn)最輕和最經(jīng)濟化設計目標[4]。比如：汽車結構設計人員在應用尺寸優(yōu)化設計方法期間，對于節(jié)點位置處于固定狀態(tài)的桁架結構，可以得到各梁的最佳截面尺寸；對于幾何形狀固定的平板結構而言，可以得到各部分的最佳厚度。除此之外，在整車開發(fā)過程中實施，設計人員還可以通過不斷調整整車布局、結構設計形式等多種方式，制定更加有效的汽車減重方案，這樣有助于實現(xiàn)低成本和高質量的汽車減重設計目標。

3.2 改進汽車結構

在設計汽車車身期間，要注重建立三維數(shù)據(jù)，如遵循點、線、面、體的過程，先是車身生產(chǎn)之前的典型數(shù)據(jù)，也就是指“二維數(shù)據(jù)”。車身設計工作內(nèi)容較多，車身典型截面就是此項工作中非常重要的一項內(nèi)容，具體可以將其定義為零件之間的匹配關系，充分發(fā)揮作用能夠指導后續(xù)生成三維數(shù)據(jù)，反應運動零件的具體運動軌跡，評價初步工藝應用的可行性，反應截面的彎曲和扭轉特征?；诖?，在生產(chǎn)汽車時，輕量化系數(shù)主要考察的就是白車身的性能，如一般狀況下都是通過白車身的單位重量來實現(xiàn)。為了能夠提升汽車結構輕量化設計效果，設計人員就要不斷改進汽車結構，從而使汽車內(nèi)部的零件變得更薄、更空、更小等。優(yōu)化汽車車身設計結構時，充分應用拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化、形狀和尺寸優(yōu)化等方法，目前我國汽車行業(yè)應用較多的方法是拓撲優(yōu)化。進一步形狀優(yōu)化方法被廣泛應用到對加強的形狀和方向進行優(yōu)化，而形狀和尺寸優(yōu)化方法，則是被應用在板料表面和厚度設計工作中。

3.3 拓撲優(yōu)化技術

這種類型的技術，是汽車結構設計過程中應用率非常高的一種方式，主要設計理念就是將機構拓撲最佳化問題，轉化為給定設計區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)物料分配問題，本文已在圖1 中將拓撲優(yōu)化流程展現(xiàn)出來，為后續(xù)提升拓撲優(yōu)化效果提供依據(jù)。在設計時要求設計人員利用多個變量，控制大量參數(shù)的變化狀況，這樣能夠實現(xiàn)多參數(shù)優(yōu)化自動操作。設計人員還可以結合設計要求，借鑒開發(fā)工具和評價系統(tǒng)，充分利用綜合優(yōu)化方法實現(xiàn)減權目標。在汽車結構設計工作進入到楚格設計階段之后，要第一時間提供最佳設計和可行性分析方案，這樣有助于節(jié)省更多的研發(fā)時間和資金。現(xiàn)階段我國汽車結構設計行業(yè)，比較常用的方法是連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化方法，具體包括變厚度法、變密度發(fā)、均勻化法等。

圖1 拓撲優(yōu)化流程

3.4 注重應用新型材料

汽車制造行業(yè)綜合考慮節(jié)能環(huán)保、安全舒適等多個方面的要求，為后續(xù)實現(xiàn)輕量化設計、高強度設計、高性能設計目標提供依據(jù)。我國科學技術發(fā)展速度逐步加快，多種新型材料出現(xiàn)并被應用，汽車結構輕量化設計過程中，應注重應用新型材料，減輕汽車自身重量，減少污染。

一是應用塑料件。塑料是汽車車身的重要組成因素，其與普通形式下的塑料進行比較，具有原材料工藝、成型工藝成熟的特征，并且其力學性能、耐磨性、電學性能等都非常強。

二是應用高強鋼。主要是在低碳鋼中添加適量微量元素的高強度鋼，其屈服強度和抗拉強度都非常高。通過運用高強度鋼代替普通鋼的方式，有效減少截面尺寸，減輕重量。

三是應用鋁合金。在將這種材料與汽車鋼板進行比較之后，能夠發(fā)現(xiàn)鋁合金的密度比較低，可以將其作為汽車車身的重要輕質材料。

4 結語

綜上所述，在汽車設計技術顯著提升的背景下，汽車制造行業(yè)在發(fā)展創(chuàng)新中既具有相應機遇，也面臨嚴峻挑戰(zhàn)。汽車結構設計人員在設計期間，結合節(jié)能環(huán)保發(fā)展要求，細致分析汽車結構設計要求，合理選用尺寸優(yōu)化方法、改進汽車結構、拓撲優(yōu)化技術、注重應用新型材料等多種輕質化設計方法，在提升汽車性能和保證汽車安全的基礎上，使汽車結構輕質化設計方法充分發(fā)揮應用作用，為后續(xù)提升我國整體汽車結構設計水平提供技術保障，從而推動我國汽車制造行業(yè)長遠發(fā)展。