汽車工程中輕量化技術的應用探討

趙博宇

摘要：在我國汽車制造行業發展中，汽車制造工藝不斷優化創新，其中輕量化技術可以有效降低汽車能源消耗，改善生態環境，達到節能減排的目的，與我國可持續發展理念相符合，是我國汽車制造行業未來主要發展趨勢。因此，本文通過分析輕量化技術在汽車工程中的應用現狀，以期加強技術推廣力度，充分發揮技術應用效能。

關鍵詞：汽車工程;輕量化技術;應用現狀

引言：輕量化技術是對汽車設計方案進行優化調整，在滿足汽車使用需求基礎上，盡可量減輕車身質量，從而實現控制汽車能耗、改善操作性能、降低排氣污染等目的，是當前解決溫室氣體排放問題和緩解石油資源短缺矛盾的主要途徑。

1、輕量化技術在汽車工程結構設計中的應用

1.1.尺寸優化

從技術發展角度來看，汽車結構尺寸優化是最早出現的一項技術手段，以車輛結構、零部件的規格尺寸為主要設計變量因素，如壁厚值、減重孔尺寸等。模擬不同的車輛行駛情景，對車輛結構規格尺寸進行適當調整，同步觀測汽車行駛情況與零部件運行工況，根據模擬結果明確各項結構尺寸設計的約束條件。設計人員構建配套的函數優化模型，導入特定數學公式，準確獲取位移靈敏度、應力靈敏度、固有頻率靈敏度、特征值靈敏度等計算結果，為車輛結構尺寸優化設計工作指明方向、提供參考數據。例如，在適當上調車輛車門結構固有振動頻率以及剛度的基礎上，將車門結構自重量進行適當減輕，并不會對車輛結構質量、安全系數造成負面影響，可實現汽車輕量化設計目的。

此外，在汽車結構尺寸輕量化設計過程中，設計人員既要考慮到特征值靈敏度、應力靈敏度與線性靜力等問題，同時，重點考慮車輛在行駛過程中的碰撞安全性。在出現交通安全事故、車輛與安全防護設施或是其他障礙物、車輛相碰撞時，由于碰撞過程是一項非線性問題，設計人員難以準確獲取車輛碰撞靈敏度等信息。針對于此，技術人員可選擇采取近似模型設計法、以此替代傳統的有限元模型，準確計算車輛在碰撞時產生的線性荷載值，以此為主要設計依據。

1.2.拓撲優化

在汽車結構輕量化設計中，拓撲優化設計是設計人員將各類材料的空間分布情況為主要設計對象，導入特定算法，即可準確計算車輛結構的最佳傳力路徑。同時，設計人員應結合實際情況，選擇適當的拓撲優化方式。例如，設計人員在采取變密度拓撲優化法時，將設計變量視作為材料的彈性模量以及質量之間保持關聯狀態而形成的一種變量因素，而不是將其視作為材料真實密度。以材料插值函數為主要劃分依據，針對性構建各類材料的有理近似模型、微結構懲罰模型，模型結構將直觀顯示不同材料分布情況下的中間密度單元、生成拓撲優化結果。此外，這一拓撲優化方法僅適用于中小型車輛，針對采取離散結構的大客車等車型，設計人員采取基結構法，對現有基準結構進行適當調整，即可獲取拓撲結構優化數據。

1.3.形狀優化

在車輛結構輕量化設計環節中，開展形狀優化設計工作的核心目的是通過調整車輛整體與局部結構，對車輛結構受力情況加以改善，充分發揮各類材料的應用效能與屬性。同時，設計人員應根據車輛幾何外形結構，選擇適當的優化設計方式。例如，當車輛幾何外形結構不規則時，采取無參形狀優化法，對車輛的梁結構截面、減重孔形狀等目標同時進行優化設計。

2、輕量化材料在汽車工程中的應用

2.1.高強度鋼

隨著材料學的不斷發展完善，高強度鋼自問世伊始便在汽車制造行業中得到廣泛應用，對改善結構強度、減輕結構重量有著重要意義。目前來看，高強度鋼主要分為先進高強鋼以及普通高強鋼，不同類型鋼材的性能質量有所不同。根據相關調查結果顯示，將車輛主體材料更換為高強度鋼時，可將車身質量縮減至原重量的75%左右。以DP雙相鋼為例，這類鋼材由馬氏體以及鐵素體加以組成，其中，馬氏體含量在10%-15%區間范圍內，其含量越大、則鋼體強度越高。同時，DP鋼還具有良好的抗疲勞性與伸長性能，被廣泛用于車身結構中的前內縱梁、前后保險杠、中支柱里板等零部件與安全件。

2.2.塑料及復合材料

在我國汽車制造行業早期發展階段，塑料與纖維復合材料的生產工藝不成熟，材料性能質量較差、制造成本較為高昂。而隨著材料學的不斷發展，以及生產工藝的優化完善，塑料與復合材料已逐漸成為汽車車身結構的主體材料，在滿足車身結構性能質量的同時，還可以大幅降低車身質量。根據相關調查結果顯示，各類塑料與復合材料在車身結構中的平均使用量已超過150kg，占據車身質量的20%以上。例如，對聚丙烯、聚碳酸酯等材料被廣泛用于車身結構中的腳踏板、遮陽板、護板、發動機罩、后牽門等部件。而長纖維熱塑性復合材料則被用于車門結構、保險杠、儀表盤等部件。而在BMW I3款電動車中，以碳纖維材料為車身底盤主體材料，實際質量僅為傳統底盤的50%左右。

2.3.鋁合金與鎂合金

與傳統的鋼鐵材料相比，鎂合金材料具有極為優異的力學性能，如強度、耐腐蝕性、塑形等等。福田歐V客車公司近年來在所發行各款新能源客車中，選擇大規模使用鎂合金材料制作扶手管等部件，不但做到了對車身質量的有效減輕，還大幅增強了扶手管等部件的性能質量。鋁合金則具有加工難度低、質量小等優勢，是當前汽車車身結構的主體材料。根據相關調查統計結果顯示，鋁合金平均用量已達到180kg，占據整車質量的20%以上，被廣泛用于制作發動機缸體、發動機托架等零部件。

3、輕量化制造工藝在汽車工程中的應用

3.1.激光焊接

激光焊接是一種全新的精密焊接工藝，以激光為主要熱源，這項技術具有工藝流程簡單、變形量小、熱輸入小等應用優勢，在汽車制造領域中得到廣泛應用，已逐漸取代傳統的各項焊接工藝。例如，在變速箱齒輪焊接加工環節，對這項焊接工藝的應用，既可以將焊接變形問題的出現率控制在較低程度內，還可以簡化尺寸焊后熱處理工序環節，客觀上提高了齒輪焊接效率。

3.2.液壓成型

在汽車制造領域中，與沖壓工藝相比，液壓成型工藝具有加工成本低、車身質量輕量化效果明顯、工藝流程簡單等優勢，工作人員僅需將工件放置在模具中，操縱相應設備對工件進行液壓處理，工件受到壓力將出現塑形變形現象，加工成特定造型結構的零部件。根據相關調查結果顯示，對液壓成型工藝的應用，可將車身質量縮減7.5%左右、零件加工成本縮減10%。

結語：綜上所述，為推動汽車制造行業的現代化發展，貫徹落實我國可持續發展戰略目標，各企業必須加強對輕量化技術的應用力度，靈活運用各項技術手段，深入挖掘技術潛在應用價值，推動汽車設計制造體系的輕量化、集成化與系統化發展。

參考文獻：

[1]崔子成.輕量化技術在汽車工程中的應用探討[J].科技與創新，2019（14）.

[2]范子杰，桂良進，蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節能學報，2014，5（01）.

[3]郭韋華.輕量化技術在汽車工程中的應用[J].工程技術研究，2020，5（03）.