汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計輕量化設(shè)計方法探析

周 磊

（中國公路車輛機械有限公司，北京 100055）

隨著我國汽車設(shè)計制造產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，輕量化設(shè)計已經(jīng)逐步成為了一種主流發(fā)展方向。設(shè)計人員結(jié)合汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，正確應(yīng)用輕量化設(shè)計方法，在保證性能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了節(jié)能減排。汽車輕量化設(shè)計工作，對設(shè)計人員的專業(yè)能力具有較高要求，既要減輕重量，又要提升性能。之所以汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計理念被廣泛應(yīng)用，主要就是因為目前人們節(jié)能環(huán)保意識不斷提升，使汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)注重追求輕量、環(huán)保、安全，在正確應(yīng)用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法之后，可以滿足我國汽車設(shè)計制造行業(yè)發(fā)展要求。本文從汽車結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計要求入手，結(jié)合汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計優(yōu)勢展開闡述，針對如何高效利用輕量化設(shè)計方法做好汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計工作進行全面探討。

1 汽車結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計要求

1.1 車身結(jié)構(gòu)特點

汽車車身不僅只是一個功能單元，也是一個非常重要的承重單元。基于此，車身作為功能單元之后，能夠給駕駛員提供更加便利的駕駛環(huán)境，甚至也可以為乘客提供舒適的乘坐環(huán)境。性能達標(biāo)的車機身結(jié)構(gòu)和安全保護系統(tǒng)，一般都是由車身框架、底盤、車架等零部件共同組成，并且還會在汽車行駛中承擔(dān)相應(yīng)的荷載作用。車身結(jié)構(gòu)具有較強的廣泛性、車身造型設(shè)計和材料具有多樣性。

在對汽車結(jié)構(gòu)進行分類時，可以具體分為兩大類：

一是車身結(jié)構(gòu)為非承重車身，具有剛性車架，其還被稱為“底盤主梁”。一般狀況下，這種類型的車身結(jié)構(gòu)，都是以重型結(jié)構(gòu)為主，在卡車、公共汽車、越野車輛設(shè)計中的應(yīng)用率更高，不僅具備較強的穩(wěn)定和安全性，也能防止乘客顛簸[1]。

二是承重結(jié)構(gòu)車身，與前一種類型的車身結(jié)構(gòu)進行比較，其實際上是一個整體，沒有鋼架，懸掛直接與汽車車身連接，具有質(zhì)量小、高度低、容易裝配等特征，一般在設(shè)計轎車車身結(jié)構(gòu)時會應(yīng)用到。

1.2 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

汽車整體是由多種不同類型的部件共同構(gòu)建而成的，如車身結(jié)構(gòu)就是其中非常重要的一種部件。為了保證汽車駕駛安全，車身結(jié)構(gòu)需要具備足夠的強度，否則一旦發(fā)生事故就會對人身安全造成嚴(yán)重威脅。對于汽車而言，也要在具備足夠的剛度之后再正常運行，無形中就會在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計方面提出諸多要求，具體如下。

汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在日常設(shè)計過程中，要在保證汽車性能和功能的基礎(chǔ)上，突出外觀美觀性和修飾性；空氣動力系統(tǒng)性能也要符合汽車制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，方便車身的維修、裝配、拆卸。如果從汽車形狀和結(jié)構(gòu)的角度對設(shè)計要求進行研究，就會發(fā)現(xiàn)汽車車身外殼實際上是由諸多空間表面形狀的大型面板共同組成，這就要在落實設(shè)計工作時不斷優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。始終都要保證車體外形合理，這樣可以有效引導(dǎo)車體周圍的氣流，對于提升汽車動力性、燃油經(jīng)濟性、駕駛安全性具有重要意義[2]。除此之外，在初期設(shè)計階段，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計人員就要細致分析數(shù)據(jù)，否則極易在批量生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常噪聲和故障等風(fēng)險。為了做好汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，需要將功能實現(xiàn)這項工作作為基礎(chǔ)條件，在保證車身外觀同時，使汽車具備良好的氣動性能，為后續(xù)人們維護提供便利。

2 汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計優(yōu)勢

深入研究“汽車車身輕量化”這一設(shè)計理念，可知主要內(nèi)容就是指在保證汽車正常運行、安全性、駕駛舒適性的基礎(chǔ)上，科學(xué)合理的減輕汽車重量。社會在發(fā)展過程中越來越注重節(jié)能環(huán)保工作，我國汽車制造業(yè)如果想要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，就要全面結(jié)合節(jié)能減排這一主流發(fā)展趨勢，制定有助于推動汽車行業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)性方案。實際上，充分利用輕量化設(shè)計方法設(shè)計汽車結(jié)構(gòu)，最終目標(biāo)就是落實節(jié)能減排工作。合理減輕汽車重量，是傳統(tǒng)內(nèi)燃機和新能源汽車實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的一種重要方式。但是對于普通形式下的汽車而言，汽車車身質(zhì)量一般約占汽車整體質(zhì)量的22%-25%，無形中就會使汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計工作面臨雙重挑戰(zhàn)。考慮到目前人們在汽車舒適度和安全性等方面提出的要求不斷增多，這就要結(jié)合汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，充分利用輕量化設(shè)計方法。本文從以下三個方面細致分析輕量化設(shè)計方法的應(yīng)用優(yōu)勢，為后續(xù)提升汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計效果提供參考依據(jù)。

一是優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計。汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在實際工作期間，要充分利用夾芯板，增強汽車結(jié)構(gòu)輕度。在提升原材料利用率同時，能夠顯著減輕汽車自身重量。

二是優(yōu)化零部件設(shè)計。設(shè)計人員結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求應(yīng)用輕量化設(shè)計方法，可以使汽車結(jié)構(gòu)的各個部分處于高度集成化狀態(tài)，有助于減少集成部門的重量。不僅如此，在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造一體化的作用下，汽車零件的輕度和耐腐蝕性等都會得到相應(yīng)的提升，這對于降低汽車故障率具有重要意義。

三是優(yōu)化連接方式。在輕量化設(shè)計方法充分發(fā)揮應(yīng)用價值之后，可以優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)中各個零部件的連接方式[3]。目前在我國汽車制造領(lǐng)域，逐步出現(xiàn)了越來越多的高科技材料，既能提升汽車零部件連接可靠性，也能顯著降低汽車自重。

3 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中輕量化設(shè)計方法應(yīng)用策略

我國汽車制造行業(yè)將節(jié)能環(huán)保這一理念作為主要依據(jù)，制定具有環(huán)保特征的設(shè)計制造方案，最終目的就是減少汽車尾氣排放量。輕量化設(shè)計方法是節(jié)能減排的一種重要實現(xiàn)路徑，在保證汽車安全和性能達標(biāo)的基礎(chǔ)上，滿足車身剛度、疲勞耐久性、穩(wěn)定操作性等多個方面的要求。經(jīng)過上述分析，可知在實際開展汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，正確利用輕量化設(shè)計技術(shù)，具備諸多優(yōu)勢，能夠滿足汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計安全和質(zhì)量要求。在輕量化技術(shù)充分發(fā)揮應(yīng)用優(yōu)勢之后，能夠優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計體系、優(yōu)化零部件設(shè)計機制、優(yōu)化連接方式。現(xiàn)階段我國汽車行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新過程中，對技術(shù)具有較高要求，典型的轎車和商用車，需要結(jié)合設(shè)計要求，利用輕量化設(shè)計材料和技術(shù)，在保證汽車性能符合要求的基礎(chǔ)上，為后續(xù)推動我國汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

3.1 尺寸優(yōu)化方法

尺寸優(yōu)化這種類型的輕量化設(shè)計方法，主要就是在給定的結(jié)構(gòu)型式、材料、布局、幾何形狀的基礎(chǔ)上，優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中實際應(yīng)用構(gòu)件的截面尺寸，從而使汽車結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最輕和最經(jīng)濟化設(shè)計目標(biāo)[4]。比如：汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在應(yīng)用尺寸優(yōu)化設(shè)計方法期間，對于節(jié)點位置處于固定狀態(tài)的桁架結(jié)構(gòu)，可以得到各梁的最佳截面尺寸；對于幾何形狀固定的平板結(jié)構(gòu)而言，可以得到各部分的最佳厚度。除此之外，在整車開發(fā)過程中實施，設(shè)計人員還可以通過不斷調(diào)整整車布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計形式等多種方式，制定更加有效的汽車減重方案，這樣有助于實現(xiàn)低成本和高質(zhì)量的汽車減重設(shè)計目標(biāo)。

3.2 改進汽車結(jié)構(gòu)

在設(shè)計汽車車身期間，要注重建立三維數(shù)據(jù)，如遵循點、線、面、體的過程，先是車身生產(chǎn)之前的典型數(shù)據(jù)，也就是指“二維數(shù)據(jù)”。車身設(shè)計工作內(nèi)容較多，車身典型截面就是此項工作中非常重要的一項內(nèi)容，具體可以將其定義為零件之間的匹配關(guān)系，充分發(fā)揮作用能夠指導(dǎo)后續(xù)生成三維數(shù)據(jù)，反應(yīng)運動零件的具體運動軌跡，評價初步工藝應(yīng)用的可行性，反應(yīng)截面的彎曲和扭轉(zhuǎn)特征。基于此，在生產(chǎn)汽車時，輕量化系數(shù)主要考察的就是白車身的性能，如一般狀況下都是通過白車身的單位重量來實現(xiàn)。為了能夠提升汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計效果，設(shè)計人員就要不斷改進汽車結(jié)構(gòu)，從而使汽車內(nèi)部的零件變得更薄、更空、更小等。優(yōu)化汽車車身設(shè)計結(jié)構(gòu)時，充分應(yīng)用拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化、形狀和尺寸優(yōu)化等方法，目前我國汽車行業(yè)應(yīng)用較多的方法是拓撲優(yōu)化。進一步形狀優(yōu)化方法被廣泛應(yīng)用到對加強的形狀和方向進行優(yōu)化，而形狀和尺寸優(yōu)化方法，則是被應(yīng)用在板料表面和厚度設(shè)計工作中。

3.3 拓撲優(yōu)化技術(shù)

這種類型的技術(shù)，是汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)用率非常高的一種方式，主要設(shè)計理念就是將機構(gòu)拓撲最佳化問題，轉(zhuǎn)化為給定設(shè)計區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)物料分配問題，本文已在圖1 中將拓撲優(yōu)化流程展現(xiàn)出來，為后續(xù)提升拓撲優(yōu)化效果提供依據(jù)。在設(shè)計時要求設(shè)計人員利用多個變量，控制大量參數(shù)的變化狀況，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)優(yōu)化自動操作。設(shè)計人員還可以結(jié)合設(shè)計要求，借鑒開發(fā)工具和評價系統(tǒng)，充分利用綜合優(yōu)化方法實現(xiàn)減權(quán)目標(biāo)。在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計工作進入到楚格設(shè)計階段之后，要第一時間提供最佳設(shè)計和可行性分析方案，這樣有助于節(jié)省更多的研發(fā)時間和資金。現(xiàn)階段我國汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)，比較常用的方法是連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法，具體包括變厚度法、變密度發(fā)、均勻化法等。

圖1 拓撲優(yōu)化流程

3.4 注重應(yīng)用新型材料

汽車制造行業(yè)綜合考慮節(jié)能環(huán)保、安全舒適等多個方面的要求，為后續(xù)實現(xiàn)輕量化設(shè)計、高強度設(shè)計、高性能設(shè)計目標(biāo)提供依據(jù)。我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度逐步加快，多種新型材料出現(xiàn)并被應(yīng)用，汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計過程中，應(yīng)注重應(yīng)用新型材料，減輕汽車自身重量，減少污染。

一是應(yīng)用塑料件。塑料是汽車車身的重要組成因素，其與普通形式下的塑料進行比較，具有原材料工藝、成型工藝成熟的特征，并且其力學(xué)性能、耐磨性、電學(xué)性能等都非常強。

二是應(yīng)用高強鋼。主要是在低碳鋼中添加適量微量元素的高強度鋼，其屈服強度和抗拉強度都非常高。通過運用高強度鋼代替普通鋼的方式，有效減少截面尺寸，減輕重量。

三是應(yīng)用鋁合金。在將這種材料與汽車鋼板進行比較之后，能夠發(fā)現(xiàn)鋁合金的密度比較低，可以將其作為汽車車身的重要輕質(zhì)材料。

4 結(jié)語

綜上所述，在汽車設(shè)計技術(shù)顯著提升的背景下，汽車制造行業(yè)在發(fā)展創(chuàng)新中既具有相應(yīng)機遇，也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在設(shè)計期間，結(jié)合節(jié)能環(huán)保發(fā)展要求，細致分析汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，合理選用尺寸優(yōu)化方法、改進汽車結(jié)構(gòu)、拓撲優(yōu)化技術(shù)、注重應(yīng)用新型材料等多種輕質(zhì)化設(shè)計方法，在提升汽車性能和保證汽車安全的基礎(chǔ)上，使汽車結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化設(shè)計方法充分發(fā)揮應(yīng)用作用，為后續(xù)提升我國整體汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計水平提供技術(shù)保障，從而推動我國汽車制造行業(yè)長遠發(fā)展。