輕量化鋼板材料及成形技術在汽車車身上的應用研究

梁艷來

(重慶工商職業學院，重慶 400052)

1 輕量化技術

1.1 汽車輕量化的概念提出

輕量化技術制造的汽車能夠在提高汽車操控性能的同時，具有較好的節約油耗表現。因為汽車油耗主要取決于發動機的排量與汽車的總重量，在保證汽車質量、性能與性價比的同時，汽車輕量化能夠有效提升汽車的輸出功率、車速，降低運行噪聲、降低油耗以及減少廢氣排放等特點。相關數據表明，當汽車的整理重量降低100kg，其燃油效率能夠提高0.4L/100km，排放量能減少大約1kg。其中，汽車車身約占汽車總重量的30%。那么在汽車空載情況下，有超過70%的油耗是消耗在車身重量上。基于此，研究汽車輕量化能夠有效提升對于整車的燃油經濟效益、車輛控制的穩定性以及汽車運行安全性等都大有幫助。據美國能源部估計，到2050年前后美國國內汽車生產將實現車身減重65%以上(圖1)。

圖1 美國能源部預計車身減重指標

1.2 汽車輕量化的發展進程

汽車輕量化是當前國際汽車制造領域發展的重要領域之一，為此諸多國家都投入了相當大的人力、物力以及資金致力于此方面的研究。早在1994年，國際鋼鐵協會就啟動了在汽車制造領域著名的研究項目——ULSAB。此項目當時匯聚了超過18個國家的35個鋼鐵企業，旨在以減輕鋼鐵材質重量、提高鋼材結構強度、提高鋼材安全性能、簡化制造工藝并降低其生產成本為目標。隨后在1998年前后，國際鋼鐵協會又進一步啟動了ULSAC項目，實現了與同類型車型相比，減重比例超過32%。與此同時，美國為提升國內汽車產業的國際競爭力啟動了PNGV計劃，并最終在當時實現了減輕自重40%的比例。2005-2009年間，來自歐洲9個國家37個頂尖機構參與的“Super LIGHT-Car計劃”開始進入研發。其主要的重點研究領域則是緊湊型量產車型的輕量化技術研究，最終通過使用不同材料的搭配組合實現了減輕重量約37%。同時，為進一步實現“減重提質”的目標，諸多鋼鐵企業也開始進行獨立化的研究之路。在2007年世界聯合國氣候變化大會上，國際鋼鐵協會宣布了新型汽車制造計劃——“FSV-未來鋼鐵汽車”計劃。該計劃提出了進一步明確汽車輕量化的“鋼制一體化汽車車身理念”。而在當時，包括我國寶山鋼鐵股份有限公司和鞍鋼集團有限公司在內的國內外16家知名鋼鐵公司，共同開展生產輕量化汽車的材料解決方案。在我國揚州市舉辦的2019年第十三屆國際汽車輕量化大會上，吸引了國內外諸多學者的參與。截止目前，我國已經形成了從整車到配套設施，從汽車生產到技術研發于一體的汽車產業生態鏈條，形成了車門防撞梁、座椅骨架、車門板、異種材料連接等輕量化技術國家重點成果。

2 輕量化鋼板材料及成形技術在汽車車身上的應用

2.1 輕量化結構設計的應用

結構設計優化是當前實現汽車輕量化的最常見手段之一。具體而言就是在固定約束條件下，實現質量最輕、成本最小、強度最大等目的，利用CAD、CAE和CAM等一體化技術，從而在設計上體現輕量化理念。當前各大汽車生產企業也對汽車的輕量化結構優化給予了高度重視。當前國際主流的結構優化設計方法為形狀優化法、尺寸優化法、拓撲優化法和形貌優化法等方法。以拓撲優化法為例，連續拓撲優化法是在給定區域內，在滿足一定約束條件的基礎上，通過優化搜索方法從而得出車身材料的最佳配比。當前拓撲優化法中常用的技巧主要有3種，分別是均勻法、漸進結構優化法以及水平集方法。離散結構拓撲優化法則是將汽車結構使用最優算法進行求解。隨著拓撲優化法的逐漸應用，漸漸形成了汽車車身拓撲優化流程，具體如圖2所示。

圖2 汽車車身拓撲優化流程示意圖

2.2 制造工藝的整體應用

當前，除了針對于傳統鋼材以及鋁鎂合金等汽車車身材料的直接應用域外，各國汽車企業還開發出了諸多先進的制造工藝來進一步降低汽車的生產成本與車身整體重量。主要包括下列幾種工藝：第一，液壓成型工藝。液壓成型是指將準備代加工的關鍵鋼材或其它復合型鋼材放置于密閉的模具當中，然后將其材料一體化成型，極大地提高了車身材料的牢固性與安全性，也進一步減少了因焊接問題導致的車身重量加重的問題。液壓成型工業能夠極大地替代傳統的汽車加工模式，例如發動機支架、后橋和排氣系統等等。第二，激光焊接工藝。激光焊接主要是指將各類復合型鋼板通過激光進行拼焊，從而在物力構造上改變汽車車身的使用性能，同時在很大程度上能夠提升車身減重比例，最終使得汽車整體安全性和適用性得到較大提升。