汽車(chē)輕量化技術(shù)與新材料應(yīng)用

寧紅巖 關(guān)紅剛

【摘 要】近年來(lái)，國(guó)內(nèi)工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，使得生態(tài)環(huán)境、自然資源等問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重。再加上可持續(xù)發(fā)展需求和科學(xué)發(fā)展觀提出，怎樣貫徹落實(shí)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與節(jié)能減排成為目前急需解決的問(wèn)題。因此，本文針對(duì)汽車(chē)輕量化技術(shù)與新材料運(yùn)用做出了進(jìn)一步探究，對(duì)汽車(chē)輕量化發(fā)展的現(xiàn)狀、熱壓成形技術(shù)、車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)給出了詳細(xì)的分析。

【關(guān)鍵詞】新材料；汽車(chē)輕量化；應(yīng)用

引言

2016年，中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)組織逾500位行業(yè)專(zhuān)家研究編制的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》正式對(duì)外發(fā)布，描繪了我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)技術(shù)未來(lái)15年的發(fā)展藍(lán)圖，輕量化成為七大技術(shù)路線圖之一。《中國(guó)制造2025》中輕量化也被列為節(jié)能與新能源汽車(chē)發(fā)展目標(biāo)的核心技術(shù)，所以，走在汽車(chē)輕量化前沿的企業(yè)才具備更大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，汽車(chē)輕量化勢(shì)在必行。

1、汽車(chē)輕量化研究的定義

關(guān)于汽車(chē)輕量化的定義，不能僅以減輕質(zhì)量多少來(lái)衡量，同時(shí)需要考慮設(shè)計(jì)車(chē)身的尺寸以及功能。主要可以從以下3個(gè)方面進(jìn)行論述：①滿足使用功能的汽車(chē)通過(guò)減輕質(zhì)量實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)；②功能不能完全滿足使用要求的汽車(chē)通過(guò)完善功能實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)，比如改進(jìn)動(dòng)力學(xué)性能、NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能等；③提高和改進(jìn)性能的同時(shí)也使汽車(chē)減輕質(zhì)量從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化。除去減輕質(zhì)量外，汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)還包含優(yōu)化結(jié)構(gòu)和價(jià)格合理化。現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的技術(shù)主要有3類(lèi)：①結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將CAD、CAE、CAM技術(shù)結(jié)合使用；②使用輕量化材料，目前使用較多的是鋁、鎂、鈦合金、高強(qiáng)度鋼、塑料及復(fù)合材料等；③先進(jìn)的制造工藝，主要有激光拼焊、液壓成形、熱成形等。

2、汽車(chē)輕量化的應(yīng)用問(wèn)題

2.1、技術(shù)相對(duì)落后

汽車(chē)輕量化技術(shù)直接關(guān)系著決定了汽車(chē)質(zhì)量和材質(zhì)輕重，但是結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析，國(guó)內(nèi)汽車(chē)輕量化技術(shù)依舊存在較大的發(fā)展空間。特別是針對(duì)沖壓工藝方面，雖然多數(shù)以上的企業(yè)已經(jīng)投入大量資金在新材料研發(fā)中，但是卻沒(méi)有獲得明顯成效，沒(méi)有克服和解決材料強(qiáng)度要求和沖擊工藝間矛盾。以沖壓工藝為例，目前并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)沖壓和材料強(qiáng)度的沖突解決，造成沖壓環(huán)節(jié)經(jīng)常發(fā)生裂紋、折皺等問(wèn)題。同時(shí)，復(fù)合材料工業(yè)相對(duì)落后，復(fù)合材料的工藝水平較差，，沒(méi)有掌握全套的核心技術(shù)，過(guò)于依賴(lài)進(jìn)口技術(shù)也在一定程度上制約了輕量化技術(shù)發(fā)展。化工材料是汽車(chē)輕量化的基礎(chǔ)條件，復(fù)合材料制造工作過(guò)于依賴(lài)國(guó)際上的科學(xué)技術(shù)，造成諸多材料無(wú)法及時(shí)創(chuàng)新和升級(jí)。而由國(guó)外引入技術(shù)，也在極大程度上提高汽車(chē)產(chǎn)品成本，影響輕量化汽車(chē)應(yīng)用和普及。

2.2、材料普及率低相較于傳統(tǒng)

汽車(chē)材料而言，化工新材料應(yīng)用的范圍相對(duì)較小。這使得材料供應(yīng)商有限，部分稀有材料需要自行研發(fā)，大幅度提高輕量化汽車(chē)生產(chǎn)的門(mén)檻，造成化工新材料應(yīng)用范圍和普及力度過(guò)小。此外，一些化工新材料被企業(yè)列為商業(yè)機(jī)密，只有少數(shù)重頭的企業(yè)持有，從而阻礙化工新材料應(yīng)用和推廣。新材料普及率相對(duì)較低，造成輕量化汽車(chē)后期服務(wù)和維修缺少經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)重影響企業(yè)的形象，阻礙化工新材料在汽車(chē)輕量化的推廣。

3、鋁合金等新材料汽車(chē)輕量化應(yīng)用

3.1、CAD/CAE/CAM的應(yīng)用

在當(dāng)前的汽車(chē)工業(yè)當(dāng)中，CAD/CAE/CAM的使用對(duì)于一體化技術(shù)有著非常重要的意義，包括了在設(shè)計(jì)汽車(chē)和制造汽車(chē)的每項(xiàng)步驟，對(duì)于這些技術(shù)的使用可以有效實(shí)現(xiàn)輕量化汽車(chē)的制造和設(shè)計(jì)。此外，一體化技術(shù)的應(yīng)用可以精準(zhǔn)的對(duì)車(chē)身實(shí)體結(jié)構(gòu)以及布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)每個(gè)構(gòu)件的開(kāi)頭配置，板材厚度的變化有了非常詳細(xì)的分析，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中將系統(tǒng)直接生成的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，以便對(duì)工程的剛度以及強(qiáng)度進(jìn)行分析。針對(duì)輕質(zhì)材料零部件的應(yīng)用，可以進(jìn)行強(qiáng)化分析以及運(yùn)動(dòng)干涉的詳細(xì)分析，從而使材料的應(yīng)用能夠更加符合設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求。利用對(duì)車(chē)身、底盤(pán)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等相關(guān)零部件加工技術(shù)的整體研發(fā)，促進(jìn)了汽車(chē)制造節(jié)能環(huán)保工作的實(shí)現(xiàn)。

3.2、高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用

對(duì)于高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用，其優(yōu)勢(shì)為將鋼板減薄、減少車(chē)身的質(zhì)量，并且不會(huì)減少安全性。不管是成本還是性能，對(duì)于高強(qiáng)度鋼板的使用，都可極大的滿足車(chē)身的輕量化要求，是將碰撞安全性進(jìn)行提升的重要材料。

3.3、鋁合金的應(yīng)用

鋁合金為一種輕質(zhì)金屬，是實(shí)現(xiàn)輕量化的理想材料，使用量和樣式也在逐步增加，未來(lái)很有可能將鋼板替代成為汽車(chē)車(chē)身使用的重要材料。

4、汽車(chē)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1、傳統(tǒng)的形狀設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)的形狀設(shè)計(jì)方法有：采用點(diǎn)作為設(shè)計(jì)變量，例如離散的節(jié)點(diǎn)或者是幾何元素上的輔助控制點(diǎn)；使用提前設(shè)置好的幾何形狀元素的線性組合來(lái)描述結(jié)構(gòu)的幾何形狀，設(shè)計(jì)變量則選取線性組合的系數(shù)；將幾何參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，然后定義子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)幾何參數(shù)與設(shè)計(jì)單元控制點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)系；如果包含有曲面、曲線，將決定邊界曲線、曲面形狀的幾何參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。以上各種方法都存在問(wèn)題，比如設(shè)計(jì)變量過(guò)多，處理時(shí)太過(guò)于繁瑣，會(huì)出現(xiàn)難以描述的幾何邊界形狀，需要編碼，需要額外再處理曲線曲面關(guān)系等，因此傳統(tǒng)的形狀優(yōu)化在實(shí)施過(guò)程中難度很大。

4.2、網(wǎng)格變形技術(shù)

網(wǎng)格變形技術(shù)和三維實(shí)體參數(shù)化形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)了形狀優(yōu)化的局勢(shì)，使得形狀優(yōu)化操作更加簡(jiǎn)單。網(wǎng)格變形技術(shù)是將一個(gè)給定的二維或者三維幾何對(duì)象在外形上光滑、連續(xù)地變換成能夠達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)的幾何對(duì)象。網(wǎng)格變形技術(shù)目前可以在多個(gè)CAE軟件上應(yīng)用，涉及的領(lǐng)域包括幾何造型、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)[7-9]、汽車(chē)局部?jī)?yōu)化[10-13]和車(chē)身造型的優(yōu)化等，并且優(yōu)化的方法也不盡相同。方劍光等[16]基于網(wǎng)格變形技術(shù)，采用優(yōu)化拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)同時(shí)結(jié)合近似模型以及粒子群優(yōu)化算法提出了多目標(biāo)形狀優(yōu)化方法，研究表明，多目標(biāo)優(yōu)化方法可以成功地對(duì)白車(chē)身截面進(jìn)行優(yōu)化，而且設(shè)計(jì)者可以根據(jù)優(yōu)化結(jié)果權(quán)衡各個(gè)目標(biāo)，以指導(dǎo)最終決策。

4.3、拓?fù)鋬?yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是給定位移、應(yīng)力、材料和目標(biāo)函數(shù)，在設(shè)計(jì)空間內(nèi)尋求結(jié)構(gòu)中構(gòu)件布局及節(jié)點(diǎn)連接方式的最優(yōu)化，保證外載荷傳遞到結(jié)構(gòu)的支撐位置以及其他的性能最優(yōu)。拓?fù)鋬?yōu)化的前身是桁架優(yōu)化。20世紀(jì)80年代，連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化分析成為熱潮，Bendsoe與Kikuchi最先提出了微結(jié)構(gòu)概念和基于材料均勻化的思想。此后，其他一些更為簡(jiǎn)潔的方法，如均勻化法、水平集法、變密度法等，相繼建立。均勻化法的思想本質(zhì)上與尺寸優(yōu)化相似，引入微結(jié)構(gòu)到連續(xù)體中，以微結(jié)構(gòu)的尺寸作為設(shè)計(jì)變量。均勻化優(yōu)化是在力學(xué)和數(shù)學(xué)理論支撐下進(jìn)行的，具有很高的嚴(yán)謹(jǐn)性。但是拓?fù)鋬?yōu)化的特性導(dǎo)致自身優(yōu)化變量很多，計(jì)算量很大，因此設(shè)計(jì)變量在計(jì)算時(shí)難度很大，優(yōu)化后得到的多孔材料也缺乏實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，所以均勻化法在工程中使用得很少。

結(jié)束語(yǔ)

總之，汽車(chē)輕量化技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)新材料的應(yīng)用，使汽車(chē)制造業(yè)在成形加工技術(shù)以及連接技術(shù)上的突破和創(chuàng)新。在輕量化技術(shù)全面發(fā)展的同時(shí)，材料的應(yīng)用、工藝以及設(shè)計(jì)等層面也有了全面的成熟和進(jìn)步。針對(duì)當(dāng)前的產(chǎn)品、工藝以及材料的設(shè)計(jì)混合結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)便是同一個(gè)總成零件可以有不同的材料組成，實(shí)現(xiàn)了材料和零件功能的有效組合，可以成為未來(lái)汽車(chē)設(shè)計(jì)的重要方向。

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（作者單位：長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司）