汽車輕量化與有限元分析

王若平，羊　杰，丁　華，劉　濤，張雅楠（江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇　鎮江　212013）

汽車輕量化與有限元分析

王若平，羊杰，丁華，劉濤，張雅楠
（江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江212013）

研究資料表明，汽車的燃油消耗與汽車的自身質量成正比，汽車質量每減輕1%，燃油消耗率降低0.6%-1%。客車車身骨架占整個客車質量大約三分之一，所以，客車車身骨架的輕量化對整個客車的輕量化具有很大的意義。

城市客車；輕量化；有限元分析；優化設計

汽車排放已成為我國大城市空氣污染的主要來源。汽車直接排放的顆粒物，以及排放的氮氧化物和碳氫化合物反應形成的二次顆粒物，均是環境空氣中PM2.5的組成部分。隨著汽車保有量的上升，機動車各類污染物排放分擔率每年上升1至2個百分點。

國際各大汽車生產商都投入大量的科研經費來尋求車身輕量化設計的有效措施，車身輕量化已成為汽車發展行業中的一項關鍵性研究課題。然而，我國很多中小型客車企業常常采用傳統的方法進行客車車身骨架的設計，比如采用經驗或者類比的方法，，可是這些方法缺乏建立在力學特性如強度、剛度等分析基礎上的依據，使材料得不到充分利用。

1　輕量化

1.1輕量化與環保

隨著汽車保有量的迅速增加，汽車在帶給人們方便和快捷的同時，也帶來了許多負面的影響，如交通事故、噪聲和有害氣體排放等。其中汽車尾氣是一種流動分散污染源，在建筑物比較密集的居民集居地和繁華地帶，不能得到及時的稀釋和擴散，另外，由于汽車尾氣的排放高度在地面附近，正處在人的呼吸區域，因此人類生活空間及呼吸層會受到嚴重污染。為了減少汽車排放對環境的污染。

無論是從國家政策還是從企業對環境與社會的責任方面考慮，汽車工業要想發展就必須想辦法解決汽車尾氣問題。降低排放有多種途徑，但是最根本的方法是釜底抽薪，即減少石油的石油，汽車輕量化可以達到降低油耗的目的，可以有效地減少排放量。并且，汽車質量輕了，便減少了對道路的沖擊載荷，緩解對道路的破壞。

1.2輕量化與整車性能

近年來隨著人民生活水平的提高，汽車越來越高檔次，為提高舒適性，許多客車已經安裝了空調、車載電視等，使客車質量增大，導致客車的碰撞慣性增加、重心高度提高和油耗增加等。客車輕量化與整車性能改善的關系主要體現在以下兩點：第一，輕量化可以提高客車的比功率，在客車發動機輸出功率不變的情況下，降低客車的整車質量，必將增加單位質量的輸出功率，從而使客車的后備功率和加速能力得到提高；第二，輕量化可以改善汽車的操縱穩定性，客車的質心高度降低，行駛更加舒適，汽車的抗側傾能力也將得到提高［1］。

2　有限元分析

2.1有限元概述

有限元法又稱為有限單元法，是結構工程師和應用數學研究人員共同智慧的結晶。有限元法是將物體即連續的求解域離散成有限個簡單單元的組合，用這些單元的集合來模擬或逼近原來的物體，從而將一個連續的無限自由度問題簡化成離散的有限自由度問題。

20世紀40年代有限元法起源于航空工程中飛機結構的矩陣分析，其基本思想和原理是“簡單”又“樸素的”。發展初期，許多學術權威都不承認這種方法的學術價值，國際著名刊物Journal of Applied Mechanics 許多年來都拒絕刊登關于有限元的任何文章，認為其沒有新的科學實質，然而經歷了幾十年的發展，有限元法研究范圍已經由桿件問題擴展到彈性力學乃至塑性力學問題，由平面問題擴展到空間問題，由靜力學擴展到動力學，由固體力學擴展到流體力學、熱力學和電磁學。目前，CAE技術作為有限元法的代表，已被廣泛運用到現代汽車設計的過程中。

2.2有限元方法的一般過程

有限元分析是模擬物理現象，近似真是情況的數值，將分析對象劃分網格并且求解通過求解有限個數值來近似模擬真實環境地未知量。其分析過程包含了建立模型、加載求解、查看分析結果三個主要過程。

（1）建立模型：根據實際情況建立有限元分析的計算模型。其中心任務是離散即劃分網格，其它相關工作包括創建或讀入幾何模型、材料屬性定義、單元質量檢查、單元特性定義、編號順序優化以及模型邊界條件模擬等。

（2）加載計算：完成與有限元方法有關的數值計算。包括選擇分析類型并設置分析選項、施加載荷、設定約束條件、執行求解。計算分析往往需要計算機具備足夠的內存，并且需要耗費大量時間。

（3）查看分析結果：有限元計算得出的結果必須經過合理的處理，結果打印或顯示出來，分析計算結果，評估結構性能及結構設計的合理性，為結構的改進和優化提供數據支持。

整個分析過程的關鍵是有限元模型的建立，所有實際結構的原始數據都通過有限元模型表現出來，模型的質量直接影響計算結果的精度；有限元模型既能保證計算結果的精度，又不會對計算量和計算機存貯容量有太高的要求。

3　輕量化研究的基本方法

目前汽車輕量化一般有三種途徑，第一是利用輕質材料進行材料輕量化；第二是利用革新制造工藝實現輕量化；第三是從結構入手，進行合理的結構優化設計進行輕量化。

3.1材料輕量化

世界汽車用材研究表明，輕質材料是汽車輕量化的重要部分。汽車材料選擇的好，一定程度下可以提升汽車設計、品質及競爭力，直接影響了汽車技術的發展。目前有兩大類輕量化材料在汽車上應用較多，一類是高強度材料；另一類是低密度的輕質材料，如鋁合金、鎂合金、塑料和復合材料等。

雖然汽車新材料可以在很多方面起到降低汽車自重的作用，但是由于部分新材料價格較貴，且各種應用于車身的輕質材料都存在著不同于目前普通低碳鋼的成型工藝問題，所以在汽車上的應用還不是很廣泛，目前主要集中在轎車上，而在大客車領域則較少應用。

3.2新制造工藝

在利用結構優化設計和輕型材料進行汽車輕量化的同時，常需要革新制造工藝，從而進一步減少質量，降低成本。革新制造工藝進行輕量化的研究主要集中在以下三個方面：

（1）輕型結構件的創新制造工藝：主要有管件液壓脹形新工藝和塑料中空成型工藝。德國大眾汽車公司成功開發出鋁合金液壓脹形的B5缸BMW汽車的后橋，減重效果明顯。美國福特公司在Mondco轎車上采用液壓成形技術制造的發動機支架，與傳統的加工技術相比，零件個數減少了5個，制造工序減少了29道，構件質量減少了6kg，成本減少了10英鎊［2］。在采用塑料中空成型工藝這上面最成功的例子就是用聚乙烯塑料中空成型轎車的燃油箱，在我國已經成功地用在捷達轎車上。另外，用輕金屬基復合材料制造殼體類零件和功能零件的壓鑄與冷鍛工藝業已取得了突破，達到了產業化程度。

（2）輕型結構件新的優化連接工藝：將內高壓成型的管件，按優化的尺寸加工好端面并清洗后，采用激光焊接將構件連接成輕型結構件，有的還可采用超塑性擴散連接新工藝［3］。

（3）產品開發中的集成創新工藝：對于汽車的某個總成件如車身或驅動橋都應貫徹采用輕型結構的原則。此時的最佳產品設計是將選擇材料、確定核心工藝等綜合起來考慮。即在產品結構設計階段，事先就把新選定的材料與減少質量的工藝集成到設計中去，這樣不僅可以縮短制造過程工藝鏈，還能顯著減小質量并降低生產成本。這種方法最成功的典范就是整體無縫式汽車驅動橋殼與轎車副車架的設計。

3.3結構優化設計

汽車結構優化通過一些現代化的優化軟件，比如Ansys，對汽車的整體結構進行優化，既滿足了強度、剛度等各項性能要求，又去除了冗余材料，使車身部件中空化、薄壁化、小型化和精簡化，從而在根本上減輕整車質量。目前，可用于客車車身結構輕量化的研究方法主要有拓撲優化、形狀優化和尺寸優化，需要依據具體的設計要求、設計目的和設計約束限制加以選擇。

拓撲優化的原理是依賴于有限元方法，找到結構剛度在設計空間最佳的分布形式，或者在設計域空間找到結構最好的傳力路線，從而優化結構的某些性能或者減輕重量。

形狀優化主要關注結構的具體形狀，包括整體形狀和零部件形狀，設計變量一般選擇控制結構形狀的邊界節點的幾何信息或者可以描述結構邊界的基函數，工程中常選用B-Spline，NURBS曲線或者曲面中可以自由變化的參數。連續體結構形狀優化，使用適當的曲線、曲面方程或是一組基函數加上自由參數來描述結構邊界形狀，其設計變量為這些自由參數，運用數值法和解析法進行計算，或者先用解析法將所要優化的問題公式化，再用數值法進行搜索尋優。

尺寸優化是在不改變現有結構布局和拓撲關系的情況下進行的優化。將單元屬性如梁單元的橫截面積、殼單元的厚度、質量單元的質量和彈簧單元的剛度等作為設計變量；質量或體積最小作為目標函數。尺寸優化不僅可以確定拓撲優化后的結構構件的尺寸，最重要的是可以對現有的結構進行輕量化設計，在滿足技術要求的前提下，選擇最優的尺寸參數降低結構重量；在利用有限元方法時，不需要改變結構的有限元模型就可以進行優化計算，故已廣泛使用于汽車的輕量化研究項目中。

總之，汽車車身輕量化是一項有利于設計理論、工程設計、工程制造、實踐驗證的重要手段，必將有一段努力的探索過程。經過努力，汽車必然是清潔、強大、輕量的代步工具，必然引導新一代的潮流。

［1］張屹林，王洪民，王海濤等.汽車輕量化與鋁合金［J］.內燃機配件，2004（05）：37-40.

［2］牟偉杰.電源車車廂結構分析及輕量化研究［D］.蘭州理工大學，2011.

［3］韓英淳，于多年，趙靜宜等.汽車輕量化的設計與制造新工藝［J］.汽車工藝與材料，2003（05）：6-8.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.198