輕量化車身性能目標的研究和應用

孔鐿森　段明雙

摘 要：輕量化是汽車工業發展的重要趨勢，同時也是其節能減排實現的主要手段。本文在闡述輕量化車身性能目標實現方式的基礎上，對輕量化車身的結構設計、材料應用和制造工藝進行系統分析并指出汽車車身輕量化技術的發展方向。以期有利于輕量化車身性能目標的實現，進而推動汽車節能減排工藝的進一步發展。

關鍵詞：輕量化;車身性能;結構設計;材料應用;制造工藝

1 引言

隨著社會經濟的不斷發展，汽車產業發展迅速，汽車保有量的數目急劇增加，由此帶來了嚴重的能源消耗和環境污染問題。新經濟形態下，實現汽車產業的節能化發展已成為行業設計生產的內在要求。在生產過程中，汽車結構的輕量化成為其節能減排的有效措施，本文就輕量化車身性能目標的實現進行系統分析。

2 輕量化車身性能目標實現方式

新時期，輕量化是汽車設計生產的重要特征，就設計過程而言，其不僅保證了汽車減重的實現，更對其動力性、舒適性和穩定性具有重大影響。近年來，面對著較為嚴峻的資源和環境壓力，汽車輕量化的研究進一步深入，從輕量化車身性能目標實現過程來看，其實現方式包含了汽車結構優化設計、輕量材料應用和制造工藝應用三種類型[1]。汽車結構優化設計包含了拓撲優化、尺寸優化、形狀優化、多學科設計優化等諸多內容，而這些優化方法是基于有限元分析軟件建立數學模型進行求解分析得出最優的結果，比較常用的軟件有Hyperworks，Abaqus等業內知名軟件。而高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復合材料是輕量化材料應用的主要形態。此外，在先進制造工藝方面，液壓成型和激光焊接是保證車身質量的關鍵技術。

3 輕量化車身的結構優化

3.1 車身結構的拓撲優化

拓撲優化的應用處于汽車研發的概念設計階段;在優化開始前，汽車結構的布局情況處于未知狀態。具體而言，拓撲設計過程中，通過對車身結構的數學模型進行設計空間上的限制，然后在滿足各種性能約束條件下，在此空間內找到傳力路徑、結構材料的最佳分布形式，從而確保設計目標的達成。與傳統設計相比通過建立虛擬樣機仿真分析，使其減少物理樣機的生產數量，實現了產品研發效率的提升和生產成本的節約[2]（如圖1）。

3.2 車身結構的尺寸優化

車身尺寸設計是其輕量化設計最基本的內容，其設計工藝較為成熟。汽車研發過程中，尺寸優化基于汽車車身結構的類型、材料、外形和布局而產生，其對相關部件的尺寸進行變量控制，確保在不同工況下，車身結構質量最小時，其強度、剛度、振動和吸能都能滿足正常行駛的使用要求。一般情況下，為確保車身結構尺寸優化的合理性，汽車設計人員需要在體積最小原則的指導下，對其進行目標函數設計和數學模型搭建;從而實現輕量化車身性能目標。

3.3 車身結構的形狀優化

汽車結構形狀優化過程中，整體或局部的外形調整是其輕量化實現的基本方式。通過形狀優化，汽車的車身設計可完成以下兩個目標控制：其一，保證車身結構受力的均勻性;其二，實現制造材料的充分利用。一般情況下，汽車車身結構的幾何外形不同，其形狀優化的方式也存在差異。對于汽車車身結構而言，若車身的幾何外形較為規則，則設計人員可通過參數化對其進行結構調整;而在不規則幾何外形設計過程中，無參形狀優化方式是其形狀調整的基本手段。實踐過程中，只有合理統籌這兩種方式的差異，并在其約束條件控制的基礎上，進行優化要點的保證，才能確保其結構應用的合理化，實現車身輕量化發展。

汽車結構輕量化設計是一個系統復雜的實踐過程，從本質上講，其具有多學科、多目標的基本特征。就設計過程而言，其還應在強度、剛度、模態、碰撞性和噪聲振動等方面進行系統把控，才能確保車身結構設計的輕量化、合理化。

4 輕量化車身的材料應用

4.1 高強度鋼

高強度鋼是基于固溶、析出、細化晶粒等強化手段而生產的一種現代化工業用材，一般情況下，當鋼材的屈服強度達到210～550MPa，則其可被作為高強度鋼進行工程使用，而當鋼材的屈服強度超過550MPa時，其相關指標符合超高強度鋼的應用標準。當前環境下，AHSS是一種全新化的超高強度鋼，又稱先進高強度鋼，其不僅在強度和延伸率等方面具有突出優勢，如圖2所示。還具有很好的吸能性、耐蝕性、抗疲勞性，在汽車輕量化和提高安全性方面起著非常重要的作用，已經廣泛應用于汽車工業。目前，高強度鋼主要應用于汽車結構件、安全件和加強件，如A/B/C柱、車門檻、前后保險杠、車門防撞梁、橫梁、縱梁、座椅滑軌等零件;實踐過程中，因其強度高，所以可使用更薄更輕的板料，故而有效的滿足了車身輕量化設計要求。

4.2 合金材料

與鋼鐵材料相比，合金材料在質量、耐腐蝕和加工工藝上具有較為突出的優勢。就鋁合金而言，質量輕、耐腐蝕性能好、加工便捷等都是其重要的特征所在。另外，鎂合金也是一種強度和剛度較高的新型材料。這些合金材料廣泛的應用于汽車的發罩外板、前翼子板、車門、車廂底板結構件等部位，實現了車身質量的有效降低。

4.3 塑料及纖維復合材料

塑料及纖維復合材料是當前汽車工業生產使用的重要材料。當前環境下，復合材料的應用類型不斷深入，且應用規模持續擴大。從應用過程來看，聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、熱固性復合材料等都是較為常見的應用類型。它們被廣泛的應用于汽車車內裝飾、外觀裝飾和功能鍵件，確保了汽車輕量化的高效發展。

5 輕量化車身的先進制造工藝應用

5.1 液壓成型制造工藝

作為輕量化技術應用的代表，液壓成型技術的應用效果十分顯著。該技術是利用流體介質代替模具來傳遞壓力以實現金屬塑性加工成形的一種加工工藝，就液壓成形的技術代表——管材內高壓成形技術而言。其在管材內部施加超高壓液體，并通過軸向活塞對管坯施加軸向推力進行補料。在這兩種外力的共同作用下，管坯材料將在模具型腔內中發生塑性變形，并得到最終所需的中空零件。與傳統沖壓焊接加工工藝相比，該工藝省去了傳統工藝的二次操作和焊接裝配等步驟，因而簡化了產品結構和零件數量、實現管材減重、質量提高，以及形狀自由度增強等技術突破。內高壓成形技術目前主要應用在汽車行業，包括副車架、縱梁、保險杠、儀表板管梁、擺臂等零件。 據統計，一旦汽車車身采用液壓成型制造工藝進行生產，其零件成本可降低11%。同時設備成本和車身質量會分別降低14%和7.3%[3]。這對于汽車輕量化發展和節能減排具有重大影響。（該指標由液壓成型技術開發商Vari.Form統計表來）

5.2 激光焊接技術應用

激光焊接技術應用過程中，高能量、高密度的激光是其焊接實現的主要熱源。在其應用下，汽車焊接的效率得以有效提升，并且在焊縫深度比、熱輸入、焊接變形控制等方面具有突出優勢。就目前生產而言，零部件、板材、車身是激光焊接應用的三種基本形式。

6 輕量化車身的技術發展

新經濟形態下，輕量化車身已成為其產業發展的重要趨勢。就技術發展過程而言，基于有限元分析的汽車拓撲優化、尺寸優化和形狀優化技術已經逐步成熟，且應用范圍不斷拓寬，要實現輕量化結構設計技術的進一步發展，在產業發展過程中，從業人員就必須注重其多目標、多學科設計方法的優化。同時，在輕材料應用過程中，新型塑料及纖維復合材料不僅具有較高的經濟性、更在穩定性和質量控制方面較為突出，確保了汽車輕量化材料高效應用的實現。另外，在汽車輕量化工藝應用中，實現零部件的輕量化發展是其重要的發展方向。只有實現這些因素的合理控制，才能確保其輕量化設計質量的提升，進而滿足人們的生產生活需要。

7 結論

輕量化性能目標的實現對汽車產業發展具有重大影響。汽車設計、生產人員只有充分認識到車身輕量化的必要性，并在具體的設計生產過程中做好結構設計、材料應用和制造工藝等方面的保證，才能確保輕量化車身性能目標的實現，進而推動汽車節能減排工藝的進一步發展。

參考文獻：

[1]鄭暉，趙曦雅.汽車輕量化及鋁合金在現代汽車生產中的應用[J].鍛壓技術，2016（2）：1-6.

[2]肖勇，丁玉梅，秦柳，等.新能源汽車輕量化的關鍵技術[J].塑料，2016，45（2）：98-100.

[3]趙玉田.基于汽車輕量化設計的鋁銅合金性能研究[J].鑄造技術，2016（3）：521-523.