多材料結構汽車車身的輕量化設計研究

田 萌

（河南工業貿易職業學院，河南 鄭州 451191）

1 車身輕量化設計研究的背景及意義

十九世紀初，在美國的亨利福特將汽車生產方式改成流水線的生產方式之后，美國同年的汽車生產率提高了十幾倍，并且價值從最先近千美元直降到三百美元。從那以后，汽車對每個美國人來說就不再是稀有物品，而是家家戶戶都可以擁有的交通工具。自此，汽車產業也逐漸成為全世界經濟來源的主要產業。然而，大量的汽車使用也導致環境污染問題和能源緊張趨勢。自汽車大規模生產投入使用后，全球的石油需求與石油供給出現嚴重的不平衡，油價增長成為無法避免的趨勢，并且汽車尾氣排放導致的環境問題，如：溫室效應，臭氧破壞等，使行業內人員思考如何繼續優化汽車性能，減少能源的損耗以及對環境的污染問題。而本文研究的車身輕量化就是降低燃油消耗，減少廢氣排放的有效措施之一。

2 車身輕量化的主要途徑

車身輕量化主要途徑包含三個方面：第一，是對車身結構優化設計；第二，在材料方面使用輕量化材料，來實現車身的減重；第三，利用先進的工藝技術以及器件銜接工藝也能實現車身輕量化。首先，在車身結構優化設計方面，主要是指在前期還未投入生產時，通過計算機的CAD/CAE等科技數值模擬技術對車身進行分析，再利用現代優化技術實現對車身的優化，減少不必要的材料使用，盡量使器件的使用達到小型化甚至中空，達到減輕車身重量的目的。其次，使用輕量化材料，這是實現汽車輕量化的主要手段之一，目前在全世界使用較多的輕量化材料有鋁合金、鎂合金、塑料以及合成材料等，然而，由于鋼材材料的各種優越性能，不管是在剛度還是強度以及回收利用等方面，使得其仍然是目前使用較為廣泛的汽車制造材料。最后，優化生產制造工藝，只要是靠器件的部件，部件之間的連接多是以焊接的方式，因此在焊接方面可使用現在的激光焊接技術來提高部件之間的強度，從而減輕車身重量。

3 汽車車身輕量化的研究現狀與發展

本文以汽車車身為研究對象，研究如何將合適的材料用于合適的部位，綜合考慮車身結構性能、質量及成本，研究多材料車身輕量化的設計方法。通過闡述汽車車身輕量化的研究背景及意義，分析汽車車身輕量化的研究及發展現狀，討論車身輕量化的重要性，繼而介紹多材料輕量化車身的概念，指出對材料輕量化車身設計方法進行深入研究的重要性。重點對汽車車身結構性能分析，計算靈敏度，闡述汽車車身結構性能的基本理論以及在這個基礎上建立起一系列的數學分析模型和汽車正面碰撞的有限元模型，計算和分析車身的剛度和正面碰撞性能，并且從車身多材料的角度，對車身進行合理的分解剖析計算，對所研究的車的車身結構狀況作出詳盡介紹，為后續優化提供基礎的車身分析。

3.1 輕量化車身結構分析與優化技術

自21世紀以來，新興產業技術的發展給眾多行業帶來了質的變化，結構分析和優化技術日趨成熟，并且在車身設計上應用，使設計成本減少及縮短車身結構的開發周期成為可能，避免了設計的盲目性。這種以有限元方法為主體的車身結構分析方法成為車身優化設計技術的主要分析手段。在早期的車身優化結構分析，主要是依靠數學理論和有限元方法相結合，利用數學計算方法構建車身結構優化模型，然而隨著結構能力和手段的不斷發展，以及現代理論的不斷完善，車身結構優化研究的范圍已從剛度以及模態這一層面過渡到結構性能優化的設計。在這個過程中，有限元方法與計算機輔助優化技術相結合，成為車身結構優化設計的有效方法。

汽車車身結構分析，以車身各個配件為對象，進行材料優選，然后綜合分析。汽車的車身本體包括支柱、梁以及加強板等各個部位，包括車身覆蓋件。所謂的車身覆蓋件主要指車身內部結構的板件和支撐起車身結構零件的總和。而梁和支柱作為車身的主要車身結構，構成車身的框架結構，使車身形成一個完整的封閉體。

本文研究的車身設計，以全載乘式車身為研究對象。全載乘式，即要求在使用的過程中，包括扭轉、彎曲以及碰撞過程中高輕度負荷下，車身結構仍能按照預期的情況變形減速為乘員提供一個安全的生存空間和保證乘坐室的完整。

圖1 承載式車身結構圖

承載式車身的汽車在平直路上行駛很平穩且固有頻率低、噪聲小、重量輕，廣泛應用于轎車上。當然底盤的強度是不及有大梁結構的非承載式車身，在車的四個車輪受力不均勻時，車身會發生變形。

圖2 車身材料結構示意圖

并不是車身所有的材料強度越高越好，具體要根據部件。如駕乘室的框架，為了使駕車室的空間盡量不變形，保證駕乘人員安全，就必須采用高強度的材料。如車前和尾部的材料（如引擎蓋板、翼子板等），為了能夠吸收撞擊力，可以使用強度相對較低的材料。

3.2 輕量化材料及其在車身制造中的應用

目前，隨著國內外企業公司對車身材料的研究，使得鋁鎂等合金的使用日益增加，鋁合金以及鎂合金的優越性能成為車身材料的首先選擇。隨著政府及民眾對汽車能源及環保方面的要求逐漸增高，出現一些新的車身材料的研究，主要有高強度鋼材料在車身中的運用。從最先的高強度鋼研發出來的到后期超高強度鋼材料在車身上的應用。高強度鋼材料，無論是在減少車身重量還是提高汽車碰撞安全性，都是首選的，都已取得良好的輕量化效果。而在車身制造中的應用，主要包括車門，車門外板甚至是車輪，都采用了高強度鋼材料。而鋁合金材料由于良好的機械性能以及耐腐蝕性能，導熱性能和回收性，其在車身輕量化中的應用主要在車身內板和外板上。

3.3 基于多材料的輕量化車身

針對車身的面料結構以及基礎性能的分析，在面向輕量化的車身板殼設計部件選材與設計方面，主要以車門的設計和選材為例，針對大型板殼類部件的材料選擇方法展開研究。此外在車身材料與結構組合優化設計方面，建立系列的車身材料與結構組合優化設計的數學模型，利用神經網絡建立起約束方程，提高有限元的計算次數，采用多目標的遺傳算法求解。

輕量化材料的優越性能使得其成為優化車身以及減輕車聲質量的首要選擇材料，但是由于其成本遠遠高于普通車身材料，如低碳鋼材料，導致由輕量化材料車身的成本比現有的鋼的成本高很多，高額的成本也是目前阻礙鋁合金、鎂合金以及復合材料等輕量化車身廣泛應用的重要原因。由此，將鋼材料以及輕質材料共同結合使用優化車身的多材料結構設計方案，成為今后車身發展的主要方向。由于車身結構復雜，導致組成車身零件的選擇也多種多樣，且消費者對車身各個部件的性能要求都不一樣，使得多材料輕量化車的設計成為可能。將合適的材料用在合適的部位，這就是多材料結構車身設計的核心思想。分析的過程中較多地采用數學模型與數據和圖像相結合的方法，分析車身結構性能的最優化并且將車身分解為兩大類，對這兩大類也進行了結構分析以及 適用材料最優分析，另外，以汽車的車門為研究對象，分析了汽車車身的材料選擇，尋找合適的材料。多材料的車身設計研究結果表明，相對于單一材料結構車身，將合適的材料運用在合適的部位，就是實現較好的汽車車身輕量化效果與單一的材料車身相比較，對材料結構車身能夠將每一種材料分配在其合適的部位，充分發揮各種材料的優點，在滿足各零件部位性能的前提下，以最小的代價獲取更大的輕量化效果。

綜合多方面的車身因素，對多材料結構汽車車身的輕量化設計研究，可以通過多方面的理論知識與數學模型建立分析結構，針對車身的基礎問題分析，作出優化方案最后進行車身輕量化設計前后對比，將車身輕量化設計結果綜合分析。

4 總結

汽車車身的輕量化設計研究是目前各大汽車行業工程所要研究的主要課題之一，在優化設計的過程中，也將性能和成本作為約束條件。而采用多材料車身則可以發揮各種材料的優勢，真正做到物盡其用，為每個零件選擇合適的制造材料，確定優化設計的組合，綜合發現問題所在。多材料車身設計對日后汽車行業的發展就具有鮮明的指導作用，也代表了今后車身結構一種發展趨勢。