汽車車身結構輕量化研究

武守輝 鄭輝 焦鳳茂

摘 要：21世紀，汽車呈現出系統化、模塊化、輕量化、電子化和個性化的總體發展趨勢。當前，一次性能源的急劇減少和環境污染是全球兩大主要問題，汽車車身輕量化的重要性日益凸顯。低能耗、低排放、高性能的汽車是社會可持續發展的必然要求，車身結構輕量化正是實現這一目標的有效方法。車身輕量化設計可以減少原材料的使用量，降低生產成本和油耗，減少尾氣排放，實現節能環保。因此，本文從車身結構設計、材料選擇、制造工藝等方面研究了如何實現汽車車身結構的輕量化。

關鍵詞：輕量化;結構設計;材料選擇;制造工藝

中圖分類號：U469.72文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）20-0051-03

Abstract：In the 21st century， automobiles present a general development trend of systematization， modularization， lightweight， electronic and personalization. At present， the sharp reduction of primary energy and environmental pollution are the two major problems in the world， and the importance of lightweight vehicle bodies is becoming increasingly prominent. Automobiles with low energy consumption， low emissions， and high performance are inevitable requirements for social sustainable development， lightweight body structure is an effective way to achieve this goal. Lightweight body design can reduce the use of raw materials， reduce production costs and fuel consumption， reduce exhaust emissions， and achieve energy conservation and environmental protection. Therefore， this paper studied how to realize the lightweighting of automobile body structure from the aspects of body structure design， material selection， manufacturing process and so on.

Keywords： iightweight;structural design;material selection;manufacturing process

汽車車身輕量化是世界汽車產業的重要研究課題[1-3]，是全球汽車廠商的共同選擇，是我國應對能源安全、新能源汽車發展的必然選擇，也是汽車工業可持續發展的必然之路，對于提升汽車產品的核心競爭力，提高汽車企業的創新能力有重要意義。然而，汽車輕量化理論和技術的實施涉及汽車安全品質、材料工藝、回收再利用等多學科多目標協同優化問題[4-6]，特別是新能源汽車結構特殊，人們需要掌握結構輕量化的基本原理，遵循科學的設計方法和開發流程，并且把輕量化開發和研究的理念貫穿始終。主要就是運用各種技術手段，在保證汽車各項性能要求的前提下，降低整個車身及零部件總成的質量，以實現汽車質量降低的目的[7-9]。

1 國內外車身輕量化研究的發展

1.1 國外車身輕量化的發展

國外超輕鋼技術發展比較迅猛，由于技術水平和汽車輕質材料價格問題，鋼材還將在未來很長一段時間內無法被替代。20世紀90年代，世界鋼鐵協會成立了超輕鋼技術項目組，重新設計汽車車身結構，提升鋼材質量，減輕相同性能下鋼材的使用量，達到車身輕量化的目標。該項目取得了矚目的成績——車身減重約25%。但是，其車身一階模態頻率、車身扭轉剛度和車身彎曲剛度都比原來有很大程度的提高。汽車生產成本比原來降低15%。

世界鋼鐵協會進行汽車車身輕量化的主要手段包括：利用高強度的板材替代傳統板材;利用新的生產工藝，如激光焊接工藝和液壓成型工藝等;使用有限元法對現有車身進行優化設計，使用計算機仿真技術，以保證車身的各種性能指標達到標準。

碳纖維增強材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）強度高、剛性好、質量小，它擁有優秀的耐蠕變和耐腐蝕性，成為汽車輕量化最理想的材料。雖然碳纖維增強材料有眾多優點，但是價格一直居高不下，現階段，碳纖維增強材料只用于高檔轎車或跑車上。

除了高強鋼和鋁合金外，鎂合金和復合材料等輕質材料也在汽車車身中得到一定程度的應用。鎂具有良好的加工性、抗凹性、減震性，鎂合金密度大約是鋁合金的2/3，具有良好的輕量化應用潛力?？傮w來看，國際上，汽車輕量化技術已經很成熟。

1.2 國內車身輕量化的發展

目前，我國高強度鋼輕量化車身研究取得較大進展，寶鋼已形成TP、DP、DQ、BH及CQ等商業高強度鋼板品種，覆蓋了目前國外主要品種的生產，表明國內高強度鋼系列已初步形成。

我國的汽車鋁合金用量與國外相比還有較大的差距，2011年美國汽車單車的平均用鋁量達到161 kg，2012年歐洲汽車單車的平均用鋁量為145 kg。但是，我國2010年乘用車單車的平均用鋁量僅相當于北美洲2000年的水平（119 kg）。

2008年，中國汽車輕量化技術創新戰略聯盟在寧波正式成立。2016年，輕量化聯盟擁有19家成員單位、46家伙伴單位和6家觀察員單位。

從總體看，我國汽車輕量化技術發展主要面臨如下問題：輕量化技術涉及學科研究領域眾多，需要應用較多學科交叉融合所形成的綜合性、系統性知識體系，但是我國研究機構目前只注重單個技術的開發，很少有各技術的交叉;車輛輕量化技術涉及許多常用技術和尖端技術，其核心技術的突破不可能由單一企業或研發機構完成，國家必須有戰略性、前瞻性、協調性的部署，而我國缺乏此類機構;產學研結合不夠緊密，沒有明確分工。

由此可見，無論是理論方面還是實際運用方面，中國汽車輕量化技術發展與國外相比都有很大的差距，任重而道遠。

2 汽車輕量化理論與設計方法研究

汽車輕量化的問題是在最優化的理論基礎上建立的，通常所說的優化設計，就是根據實際的情況和問題，建立其優化的數學模型，采取一定的最優化方法，尋找既滿足約束條件又使目標函數最優的設計方案。構成結構設計問題的三要素為：設計變量（Design Variable，DV）、狀態變量（State Variable，SV）、目標函數（the Objective Function，OBF）。具體方法如下。

在汽車結構輕量化中，結構尺寸優化是在確定結構拓撲的前提下，用少量的尺寸來表示結構的某些變化，然后建立基于這些維參數的數學模型，并采用優化方法求解最優維參數。

在尺寸優化中，其設計變量大多數為材料參數（如說彈性模量和密度）和尺寸參數（如橫梁橫截面的尺寸、轉動慣量、彈性支承剛度、板材的厚度、兩個部件之間的連接剛度等）。

尺寸優化是通過優化一維梁單元的截面尺寸、二維板單元厚度等，尋找目標結構件的最好截面尺寸，滿足其相對應的性能要求，性能優化期間，結構的形狀和拓撲結構沒有發生變化。尺寸優化的一個重要方向是一維梁單元的截面尺寸優化，從之前的結構到現在工業上用的各種型號鋼材，尺寸優化已經相對成熟，在給定結構外形幾何、材料、單元類型、結構布局的情況下，以截面的尺寸為設計因變量，尋求截面尺寸的最優，以滿足性能要求并且實現結構輕量化，達到降低生產成本的目的。

3 汽車車身輕量化發展趨勢

3.1 利用高強度板材來代替傳統板材

3.1.1 鋁合金。鋁合金在軸向載荷作用下會產生漸進疊縮穩態變形，比吸能遠遠高于低碳鋼結構。鋁合金作為緩沖吸能元件，在碰撞安全性方面有明顯的優勢，而且應用于車身時，由于質量降低，碰撞時產生的動能減小，所以其在汽車上的應用呈現連續增長趨勢。

3.1.2 鎂合金。鎂合金的彈性較弱，在同等的受力情況下會發生較大的變形。所以，使用鎂合金材料時，要提高鎂合金板材的厚度或者重新設計板材結構。

3.1.3 多孔材料。在大自然中，有很多動物的筑巢方式值得人們學習，在向大自然的學習中，人們制造出各種各樣的用于能量吸收的輕質多孔材料，如泡沫材料、蜂窩材料等。蜂窩材料用作吸能材料，具有明顯的方向性，用于各種夾芯板和薄壁填充管具有突出的優勢。泡沫材料可分為開孔泡沫材料和閉孔泡沫材料兩種。其中，開口材料的抗壓性總體優于閉孔材料。開孔材料又可以分為金屬材料和非金屬材料兩種。金屬泡沫材料，尤其是泡沫鋁，密度小、變形能力大、比吸能好，具有均勻穩定的能量吸收特性曲線，是非常理想的能量吸收材料。但是，泡沫鋁含有空隙而且強度較低，在受到拉、壓、扭轉時容易發生斷裂破壞，而且破壞后不容易保持完整，故而一般將泡沫鋁作為薄壁管的填充材料。非金屬泡沫材料多用作汽車內部裝置，作為裝飾材料和承重架中間的緩沖物。

3.2 其他方法

采用新的生產工藝，如激光焊接工藝、液壓成形工藝等。利用有限元法對現有的車身進行優化設計，利用計算機仿真技術，提升車身的各種性能指標。

4 結論

隨著我國科學技術的進步，新的輕型復合材料越來越多，可用作汽車車身的材料越來越豐富，計算機仿真模擬精度越來越高，在保證汽車安全性能的前提下，汽車車身質量逐漸降低。汽車輕量化對節能減排也有著極大的促進作用。

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