汽車(chē)車(chē)門(mén)輕量化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀及其技術(shù)措施

李永湘 許天輝 王光艷

摘 要：為降低汽車(chē)車(chē)門(mén)重量，解決汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保問(wèn)題，分析了汽車(chē)車(chē)門(mén)輕量化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀，給出了車(chē)門(mén)輕量化技術(shù)措施，通過(guò)采用合理的整車(chē)布局、優(yōu)化車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)、選擇新材料和新的制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)輕量化，并改善國(guó)內(nèi)汽車(chē)綜合性能。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)車(chē)門(mén);輕量化設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.022

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車(chē)作為民眾出行的一種普通交通工具逐漸進(jìn)入我國(guó)普通家庭。汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保問(wèn)題受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)是提高汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性、節(jié)省能耗和降低污染物排放的一個(gè)重要舉措。由于車(chē)身和底盤(pán)是汽車(chē)主要受力結(jié)構(gòu)件，直接關(guān)系到汽車(chē)的工作性能和安全性，不容易減少其重量。而汽車(chē)車(chē)門(mén)輕量化設(shè)計(jì)可行性比較好，對(duì)解決汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保問(wèn)題具有重要意義。

1 汽車(chē)車(chē)門(mén)輕量化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

汽車(chē)類(lèi)型多種多樣，不同車(chē)型的汽車(chē)車(chē)門(mén)也有所區(qū)別，一些學(xué)者主要從整車(chē)輕量化技術(shù)、車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和車(chē)門(mén)材料技術(shù)三個(gè)角度研究了汽車(chē)車(chē)門(mén)輕量化問(wèn)題。

在整車(chē)輕量化技術(shù)研究方面，德州學(xué)院王林林等對(duì)小型乘用車(chē)車(chē)身覆蓋件進(jìn)行虛擬建模仿真研究，優(yōu)化了設(shè)計(jì)參數(shù)[1]。吉林大學(xué)葉輝等研究了車(chē)身剛度、模態(tài)與板厚之間的關(guān)系，求解了最小車(chē)身重量，并進(jìn)行了碰撞仿真試驗(yàn)[2]。上海交通大學(xué)劉釗等研究了車(chē)身多學(xué)科優(yōu)化問(wèn)題，并將粒子群算法進(jìn)行改進(jìn)后運(yùn)用于轎車(chē)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[3]。

在車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究方面，揚(yáng)州大學(xué)華琰等基于HyperMesh對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)防撞梁進(jìn)行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種W形狀的車(chē)門(mén)防撞梁結(jié)構(gòu)[4]。首鋼技術(shù)研究院魏福林等采用NSGA-Ⅱ算法從強(qiáng)度、剛度、安全性等多個(gè)方面優(yōu)化了汽車(chē)車(chē)門(mén)外板結(jié)構(gòu)[5]。陜西重型汽車(chē)有限公司車(chē)紅江等從車(chē)門(mén)關(guān)閉力角度優(yōu)化了重型卡車(chē)車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)[6]。

在車(chē)門(mén)材料技術(shù)研究方面，眾泰汽車(chē)研究院冀鵬研究了HC300/500DP材料應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)門(mén)外板的力學(xué)性能[7]。上海理工大學(xué)高大威等研究了超高強(qiáng)度鋼22MnB5用于汽車(chē)車(chē)門(mén)防撞桿的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8]。中鋁材料應(yīng)用研究院任毅斌等研究了5182鋁合金在車(chē)身材料連接中應(yīng)用[9]。

2 車(chē)門(mén)輕量化技術(shù)措施

綜合上述研究工作，要實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)輕量化，可從整車(chē)布局、車(chē)門(mén)機(jī)構(gòu)、材料選擇和制造技術(shù)四個(gè)方面采取措施。如圖1所示。

2.1 采用合理的整車(chē)布局

利用CAE等工具建立汽車(chē)整車(chē)分析模型，進(jìn)行整車(chē)的靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、振動(dòng)分析、穩(wěn)定性分析、碰撞分析等，構(gòu)建尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)整車(chē)布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 優(yōu)化車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)

車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化重點(diǎn)需要合理布置車(chē)門(mén)上的各部分結(jié)構(gòu)，例如車(chē)門(mén)與其周邊結(jié)構(gòu)件之間的關(guān)系、門(mén)鎖的安裝、鉸鏈的位置、窗口框架結(jié)構(gòu)、玻璃及其升降器的設(shè)計(jì)、密封部件設(shè)計(jì)等等，車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的因素多，可將遺傳算法、粒子群算法、多目標(biāo)學(xué)科優(yōu)化方法等進(jìn)行改進(jìn)引入到車(chē)門(mén)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，求解車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)值或次優(yōu)值。

2.3 選擇新材料

一些新材料的應(yīng)用、復(fù)合材料的選用和不同材料的組合使用可減少車(chē)門(mén)的總體重量，不同材料有不同的性能，可根據(jù)車(chē)門(mén)不同部位的要求選擇合適的材料，例如，高強(qiáng)度鋼可用于制造車(chē)門(mén)外殼等，而球墨鑄鐵密度比鋼的密度要小，所以在恰當(dāng)?shù)牟课挥们蚰T鐵代替鋼可以減少車(chē)門(mén)重量。低密度金屬鋁合金、鈦合金、鎂及鎂合金的使用也可大大減少車(chē)門(mén)重量。部分地方還可使用塑料和陶瓷材料代替鋼。碳纖維增強(qiáng)材料、玻璃纖維增強(qiáng)材料等復(fù)合材料也可作為汽車(chē)車(chē)門(mén)部分結(jié)構(gòu)件材料。合理地選擇、組合和使用材料，可提高汽車(chē)車(chē)門(mén)的綜合性能，并減少車(chē)門(mén)重量。

2.4 應(yīng)用新的制造技術(shù)

制造技術(shù)直接影響汽車(chē)車(chē)門(mén)的性能，國(guó)內(nèi)部分汽車(chē)企業(yè)的鈑金模具精度低，車(chē)門(mén)成型質(zhì)量差。需要不斷提高模具精度，錘煉制造技術(shù)，研究新工藝，改進(jìn)工藝參數(shù)，提高沖壓、焊接、膠合、裝配技術(shù)水平，從而提高車(chē)門(mén)成型質(zhì)量，降低車(chē)門(mén)重量。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)汽車(chē)總體處于中低檔水平，汽車(chē)車(chē)門(mén)所用材料以鋁合金和高強(qiáng)度鋼應(yīng)用比較多，國(guó)內(nèi)汽車(chē)質(zhì)量比歐日系汽車(chē)要低，通過(guò)采用合理的整車(chē)布局、優(yōu)化車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)、選擇新材料和新的制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)輕量化，并改善國(guó)內(nèi)汽車(chē)綜合性能。

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