探究輕量化技術在汽車工程中的應用

李洪光 孫譜 崔明

摘 要：隨著我國交通運輸業的發展，我國公路交通已進入高速發展階段。隨著我國交通運輸業的發展，我國汽車工業發展迅速。我國主要汽車產業蓬勃發展的同時，我國汽車產業的競爭壓力也在顯著上升。如何提高汽車的生產質量，裝配出高質量的汽車成為汽車行業關注的焦點。目前，我國汽車工業正逐步向自動化、輕量化方向發展。輕量化材料的使用和制造技術已成為衡量汽車輕量化發展水平的一個重要指標。在我國汽車制造業的發展過程中，汽車制造工藝不斷優化和創新。輕量化技術能有效降低汽車能耗，改善生態環境，達到節能減排的目的，符合我國可持續發展的理念，也是未來我國汽車制造業的主要發展趨勢。為此，本文分析了輕量化技術在汽車工程中的應用現狀，以加強技術推廣，充分發揮技術的應用效率。

關鍵詞：汽車工程;輕量化技術;應用現狀

中圖分類號：U462.2 文獻標識碼：A

0 引言

輕量化技術在汽車工程中的應用主要是運用現代設計手段對汽車產品進行優化設計。該技術的應用通過現代設計理念和手段，優化了車輛的整體設計，提高了車輛的整體性能，降低了油耗，實現了節能減排，提高了車輛的安全性和舒適性，這對汽車工業的長遠發展具有重要意義。在滿足車輛使用需求的基礎上，降低車身質量，從而達到控制車輛能耗、提高運行性能、減少尾氣污染等目的。是解決溫室氣體排放問題、緩解石油資源短缺的主要途徑。

隨著中國汽車工業的發展，中國汽車工業的內部競爭壓力越來越大。如何提高汽車裝配質量已成為汽車企業關注的焦點。對于汽車工業來說，汽車裝配材料是影響汽車質量的重要因素之一。目前，輕量化材料的使用是我國汽車工業發展的主要方向之一。本文將從汽車輕量化材料的主要材料組成入手，探討輕量化材料的制造工藝。

1 輕量化技術在汽車工程中的應用前景

輕量化技術在汽車工程中的應用前景主要涉及以下內容：汽車工程輕量化是未來汽車設計的發展趨勢，在動力傳動、節能減排等方面具有重要的應用意義。在現有的研發體系中，大多是單學科研究，很少實現跨學科的整合。輕量化技術的核心技術不能由單個學科或科研機構獨立完成，必須進行多學科的戰略部署和集成研究。但是，目前還沒有建立起這樣的科研機構，產學研結合不緊密，缺乏明確的定位和分工，研究與開發之間的聯系不充分，企業規模小，而科研開發能力薄弱，缺乏足夠的研發人員。

2 分析汽車輕量化結構技術

汽車輕量化作為一種多標準的技術性材料，其設計需要注重車身尺寸和形狀的優化。汽車輕量化技術在創新車身質量的同時，可以將材料參數和截面尺寸結合起來。加強零部件優化，提高整車零部件的安全性和有效性。一般來說，最實用的方法是汽車外形和零部件的輕量化設計。其次，可以優化空間結構的整體力學分布和荷載分布。在輕量化設計理念下，經過多次迭代，材料的性能無法穩定。拓撲優化技術應用于汽車零部件和結構的設計。它可以減輕車身重量，改善汽車結構性能，縮短汽車生產周期，提高汽車質量。一般來說，車身結構的拓撲結構是無骨架結構和空間設計。這也迎合了輕量化設計的特點。輕量化的空間可以通過減輕自身重量來改變。加強材料應用和輕量化工藝設計分析，最終提高整車設計質量。

3 輕量化技術在汽車工程結構設計中的應用

3.1 尺寸優化

從技術發展的角度看，最早的技術手段之一應該是優化車輛結構和尺寸，以車輛結構和零部件尺寸為主要設計變量，如壁厚值、減重孔尺寸等，模擬不同車輛在不同工況下的行駛場景，適當調整車輛的結構規格和尺寸。實時觀察車輛的行駛狀況和部件的運行情況。結合仿真結果，確定了各結構尺寸設計的約束條件。相關設計人員應建立匹配函數優化模型，導入具體的數學公式，準確得出位移靈敏度、應力靈敏度、固有頻率靈敏度、特征值靈敏度等計算結果，從而為車輛結構優化設計提供準確的數據支持。例如，在調整車門結構固有頻率和剛度的基礎上，適當減輕車門結構的重量，但不會對車門結構的質量、穩定性和安全系數造成任何不利影響，從而更好地達到車輛輕量化設計的目的。另外，在汽車結構尺寸的輕量化設計過程中，設計者不應忽視特征值敏感性、應力敏感性和線性靜力敏感性。同時，在行駛過程中可能發生碰撞時，要注意車輛的安全。發生交通事故時，車輛與安全防護設施、其他障礙物和車輛發生碰撞。碰撞過程是一個非線性問題，設計者很難準確獲得車輛碰撞敏感度等信息。針對這些情況，相關設計人員可以選擇用近似模型設計方法代替傳統的有限元模型，精確計算車輛在碰撞過程中的線性載荷值，并以此作為設計數據的主要來源和依據。

3.2 拓撲優化

在汽車結構輕量化設計過程中，拓撲優化設計是設計者以各種材料的空間分布為主要設計對象，引入特定算法，對汽車結構進行精確計算的最佳方法和途徑。同時，設計人員應根據車輛的實際情況選擇合適的拓撲優化方法。例如，在應用變密度拓撲優化時，設計者應將設計變量視為反映彈性模量與材料質量之間密切關系的變量，而不是材料本身的實際密度。基于材料插值函數，建立了各種材料的合理近似模型和微觀結構懲罰模型。該模型結構能直觀地顯示不同材料分布的中密度單元，并生成拓撲優化結果。另外，拓撲優化方法僅適用于中小型車輛。對于具有離散結構的大型客車模型，設計人員應采用參考結構法，對現有的參考結構進行調整，以獲得拓撲優化的相關數據。

3.3 形狀優化

在汽車結構輕量化設計過程中，形狀優化設計的主要目的是改善汽車整體結構的受力狀態。通過調整整體結構和局部結構，可以更好地發揮應用程序的性能和各種材料的性能。同時，設計者應根據車輛的幾何結構，采用最合適的優化設計方案。例如，當車輛幾何形狀不規則時，參數形狀優化方法可以同時優化梁結構截面和車輛減重孔形狀。

4 輕量化材料在汽車工程中的應用

4.1 高強度鋼

隨著材料科學的不斷發展和完善，高強度鋼自誕生以來就被廣泛應用于汽車制造業，對提高結構強度、減輕結構重量具有重要意義。目前，高強度鋼主要分為高級高強度鋼和普通高強度鋼。根據相關調查結果，用高強度鋼代替車身材料后，車身重量可降低到原來重量的75%左右。以DP雙相鋼為例，該鋼由馬氏體和鐵素體組成。馬氏體含量在10%～15%之間。含量越高，鋼的強度越高。同時，DP鋼還具有良好的抗疲勞和延伸性能，廣泛應用于車身結構的前、內導軌、前后保險杠、中柱內板等零件和安全件。

4.2 塑料及復合材料

我國汽車制造業發展初期，塑料和纖維復合材料的生產工藝不成熟，材料性能質量差，制造成本高。隨著材料科學的不斷發展，以及生產工藝的優化和改進，塑料和復合材料逐漸成為汽車車身結構的主要材料，它不僅能滿足汽車車身結構的性能和質量要求，同時也大大降低了車身的質量。根據相關調查結果，人體結構中各種塑料及復合材料的平均消耗量在150公斤以上，占人體質量的20%以上。如聚丙烯、聚碳酸酯等材料廣泛應用于車身結構中，如踏板、遮陽板、擋泥板、發動機罩、后滑門等部件。長纖維熱塑性復合材料用于汽車車門結構、保險杠、儀表板等零件。在寶馬I3電動車中，底盤車身材料為碳纖維材料，實際質量僅為傳統底盤的50%左右。

4.3 鋁合金

鋁合金由于其密度僅為鋼的1/3，導熱性、耐久性和耐腐蝕性強，在工業生產中得到了廣泛的應用。鋁合金是在鋁中加入一定量的混合金屬制成的，能全面提高構件的整體強度、耐久性和抗疲勞性。同時，鋁合金也可以回收利用，注重節能環保的理念。將鋁合金應用于汽車輕量化零部件的制造具有重要意義。它主要用于發動機和底盤的驅動和控制系統部件。一些變形鋁合金更多地用于車身系統部件和熱交換器制造。由于鋁合金制造成本高，它只出現在高檔轎車上。隨著這項技術的不斷研究，鋁合金在汽車上的應用也在不斷擴大，在特種氣囊支架和汽車車輪上也得到了改進和應用。

4.4 工程塑料

塑料成型非常容易，經過處理可以使一些設備變得更加簡單。塑料制品具有很強的彈性，能吸收大量的能量，減少碰撞的沖擊，具有很強的緩沖作用，以及降噪和校正的能力。此外，與傳統金屬制品相比，塑料復合材料具有很強的耐久性和耐腐蝕性，遠遠大于鋼板。在汽車零部件制造中，主要用于發動機電子系統、燃油系統等零部件。通過這項技術的延伸。這些材料還用于納米復合材料、無噴霧塑料、塑料和玻璃纖維增強塑料。

5 結語

綜上所述，為了促進現代汽車工業的發展，實施可持續發展戰略的目標，企業必須加強輕量化技術的應用，靈活運用各種技術手段，深度挖掘潛在的應用價值，推動汽車輕量化、集成化、系統化的設計制造體系發展。總之，從我國汽車工業未來的發展趨勢來看，輕量化汽車將成為汽車工業發展的必然趨勢。如何提高汽車輕量化材料的應用和生產技術，已成為汽車工業發展的必然趨勢。我國相關人員只有秉持著不懈的理念，才能進一步研究開發出更加優秀的汽車輕量化材料制造工藝，進而為我國汽車工業的發展做出更大的貢獻。

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