面向汽車輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究

殷勤勤　戎盼盼　郁濤　崔強(qiáng)

摘 要：在國家快速發(fā)展的過程中，國民生活的質(zhì)量和水平顯著提高，進(jìn)而人們對汽車的需求不斷增多，同時(shí)對汽車的功能以及使用感受等方面提出來新的要求。尤其是要推動汽車的設(shè)計(jì)向著輕量化的方向發(fā)展。本文以面向汽車輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究為例，分析汽車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，采取相應(yīng)的措施，保障設(shè)計(jì)的結(jié)果，提高汽車的質(zhì)量和使用效果，為國民的生活和出行提供極大的便利。希望本文的分析，可以為同行工作者提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵技術(shù) 汽車 研究 輕量化設(shè)計(jì)

隨著汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，促使汽車的設(shè)計(jì)逐漸向著輕量化的方向發(fā)展。但是在設(shè)計(jì)的過程中，卻存在一些問題，影響輕量化設(shè)計(jì)的進(jìn)行，影響汽車的質(zhì)量和使用效果，同時(shí)也是不利于汽車行業(yè)發(fā)展。因此，就要對汽車輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，采取相應(yīng)的實(shí)行措施，保障輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。通過這樣的方式，保障汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)提升汽車的功能和質(zhì)量以及使用效果，滿足國民的需求，提升國民的生活質(zhì)量，推動國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力顯著提高。

1 汽車輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 多學(xué)科的輕量化技術(shù)

在對汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的過程中，需要借助力學(xué)和空氣動力學(xué)以及控制貢獻(xiàn)還能，還有人機(jī)工程等專業(yè)的助力。可以從汽車整體結(jié)構(gòu)的角度來看，其中有整車和車身以及零部件等順序進(jìn)行分析，其中主要從整體結(jié)構(gòu)的方面入手，要求輕量化設(shè)計(jì)要包括耐撞性和NVH以及疲勞壽命等多個(gè)方面的要求。因此，在進(jìn)行汽車輕量化設(shè)計(jì)的過程中，要借助多個(gè)學(xué)科，使其可以進(jìn)行融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對汽車輕量化綜合和系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)檠邪l(fā)機(jī)構(gòu)過度重視單個(gè)技術(shù)的研究和發(fā)展，導(dǎo)致技術(shù)交叉和融合的效果有限，難以為汽車輕量化的設(shè)計(jì)提供助力。所以就要重視多學(xué)科的輕量化技術(shù)的發(fā)展，為汽車質(zhì)量的提升奠定基礎(chǔ)[1]。

1.2 多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

眾所周知，汽車擁有較為復(fù)雜的系統(tǒng)，所以在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的時(shí)候，不但要考慮多個(gè)學(xué)科的影響，還要對設(shè)計(jì)過程中可能會遇到問題的解決方案進(jìn)行評價(jià)，這也就是我們所說的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要可以從兩方面入手：一方面， 選擇新材料進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要想達(dá)到減輕重量的目標(biāo)，就會使用價(jià)格較高的材料，這樣雖然可以實(shí)現(xiàn)減重的目標(biāo)，但是成本卻增加了，因此。這個(gè)方式對于看重成本控制的企業(yè)來說，是極其不好的。在這個(gè)因素的影響下，就要在設(shè)計(jì)的過程中，尋找重量和成本價(jià)格的平衡點(diǎn);另一方面，汽車內(nèi)部空間的大小，為了實(shí)現(xiàn)輕量化的目的，可能在設(shè)計(jì)的時(shí)候，就會導(dǎo)致部分零件影響內(nèi)部空間的大小。因此，在設(shè)計(jì)的過程中，就要重視輕量化與內(nèi)部空間大小的問題之間的平衡。在這些因素的影響下，在進(jìn)行汽車輕量化的設(shè)計(jì)過程中，就要重視多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)行，以此保障汽車的性能，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的意義，滿足客戶的需求。

1.3 近似模型和尋優(yōu)算法

在面對汽車輕量化設(shè)計(jì)的過程中，要重視計(jì)算零件和整車各方面的性能參數(shù)。在對各個(gè)學(xué)科進(jìn)行計(jì)算和制作分析模型的時(shí)候，會出現(xiàn)多個(gè)耦合變量，這就需要多個(gè)優(yōu)化迭代步驟。但是多次使用這個(gè)步驟，會導(dǎo)致計(jì)算過程變得更加復(fù)雜，進(jìn)而影響最優(yōu)效率的尋找速度和結(jié)果。所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，經(jīng)常會使用近似模型的方式進(jìn)行代替。其中常用的有多項(xiàng)式響應(yīng)面模型和克里金響應(yīng)面以及移動最小二乘響應(yīng)面。之后就要對近似模型進(jìn)行優(yōu)化，其中主要使用多學(xué)科可行方法和協(xié)同優(yōu)化算法以及BLISS等優(yōu)化方法，同時(shí)還會使用多目標(biāo)遺傳算法等進(jìn)行尋優(yōu)，以此保障設(shè)計(jì)的結(jié)果，推動汽車的發(fā)展。

2 保障汽車實(shí)現(xiàn)輕量化的措施

2.1 借助輕量化工藝實(shí)現(xiàn)

在汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要借助輕量化的工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及新型材料等方面的助力。但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)汽車生產(chǎn)公司以結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式去設(shè)計(jì)零部件的時(shí)候，雖然可以實(shí)現(xiàn)輕量化的目的，但是使用舊的工藝進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，卻會出現(xiàn)不能滿足國家發(fā)展需求的問題，因此，就要使用新型的制造技術(shù)。并且在使用新型材料進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)的時(shí)候，因?yàn)榱悴考旧砭褪切枰厥夥绞竭M(jìn)行制造和焊接的，所以，可以更好地實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的目的。因此，在這些因素的影響下，使得輕量化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和新材料研究者提供助力，使其可以更好地為汽車質(zhì)量的提升奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而推動汽車行業(yè)的發(fā)展。現(xiàn)如今，主要從零件成形性上和制造工藝這兩方面進(jìn)行改革和創(chuàng)新。其中成形性上主要借助CAD/CAE/CAM等技術(shù)，促使沖壓模具設(shè)計(jì)水平和零件質(zhì)量顯著提升。同時(shí)主要使用的新型成型技術(shù)有連續(xù)擠壓變截面型材和激光焊接板技術(shù)以及高強(qiáng)板的熱成形技術(shù)，為汽車的制造和生產(chǎn)提供極大的助力[2]。

2.2 以優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)的方式去實(shí)現(xiàn)

優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)主要從白車身以及子系統(tǒng)零部件等方面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。其中它的結(jié)構(gòu)任務(wù)就是以滿足工藝要求為基礎(chǔ)去對結(jié)構(gòu)形狀以及尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，把汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化分為尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化。尺寸優(yōu)化：對截面和零件厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，要滿足多種性能的目標(biāo)要求;形狀優(yōu)化：優(yōu)化零件的重量和內(nèi)部受力的均勻性，這種優(yōu)化是一種在生物學(xué)增長規(guī)律為基礎(chǔ)上而形成的數(shù)值優(yōu)化方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化擁有研發(fā)成本少和更能實(shí)行輕量化效果的優(yōu)點(diǎn)，也是被汽車生產(chǎn)廠家喜愛的原因。因?yàn)檎Ｇ闆r下，應(yīng)有輕量化材料的應(yīng)用需要的研發(fā)周期長以及較高的研發(fā)成本。但是結(jié)構(gòu)輕量化可以促使汽車的各個(gè)部分得以優(yōu)化和升級，進(jìn)而可以更好地滿足國民的需求。

2.3 使用多種新型材料其實(shí)現(xiàn)汽車輕量化

使用新型材料去實(shí)現(xiàn)汽車輕量化就是對汽車整體進(jìn)行合理化匹配的過程中。因?yàn)椴煌牧蠐碛胁煌男再|(zhì)，但是在使用的過程中，其中可能是蘊(yùn)含著共通的屬性，也可能是獨(dú)立的材料屬性。所以在輕量化設(shè)計(jì)的過程中，就要既保障結(jié)構(gòu)應(yīng)用的性能，還要針對不同材料的多種屬性變量進(jìn)行設(shè)計(jì)，以盼可以實(shí)現(xiàn)其快速并且有效的優(yōu)化。尤其是要中材料的彈性模量和屈服輕度以及應(yīng)力應(yīng)變曲線等內(nèi)容，若是單獨(dú)作為變量進(jìn)行設(shè)計(jì)，就會導(dǎo)致優(yōu)化計(jì)算呈現(xiàn)非常復(fù)雜的狀態(tài)，并且變量較少的話也許還會導(dǎo)致優(yōu)化出來的材料屬性變量所指代的材料類型不具有唯一性。在對汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的過程中，主要使用輕質(zhì)的金屬材料和非金屬材料。357B4163-A6FE-4D75-AE92-75252C7459B8

一方面，輕質(zhì)金屬材料有高強(qiáng)度板和鋁合金以及鎂合金等。首先，高強(qiáng)度剛擁有以下幾方面的優(yōu)勢[3]：①強(qiáng)度高和經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn);②還擁有屈服度高的特點(diǎn)，可以有效地減少料板薄而出現(xiàn)的拉裂現(xiàn)象，以此來實(shí)現(xiàn)輕量化的目的，可以有效的設(shè)計(jì)出更加輕薄的汽車零件。③耐撞性顯著提高，可以在汽車發(fā)生碰撞的時(shí)候去吸收撞擊力，以此達(dá)到保障駕駛?cè)藛T安全，提高汽車安全性能的目的。④它還擁有較好的耐腐蝕性能，可以有效地增加汽車零件的使用年限，進(jìn)而提高汽車的使用效果。其次是鋁合金，它的特點(diǎn)是密度小和耐銹蝕性能較好以及可以回收，還有導(dǎo)熱性較好等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在以下幾方面缺點(diǎn)：①鋁合金材料缺乏相應(yīng)的延伸率，并且鋁合金的彈性模量也是較低;②鋁合金的承載能力較差，會出現(xiàn)凹性能差的問題，如果把它當(dāng)作外覆蓋件的材料，一旦接觸到外力，在外力的作用下，就會增加零件出現(xiàn)表面凹坑和凸起等缺陷的概率，最終對零件表面的質(zhì)量產(chǎn)生影響;③鋁合金零件的焊接性能較差。所以在這些方面原因的影響，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍有限。最后是鎂合金，它的特征就是密度和阻尼減振性能好以及易加工，還有可回收性能強(qiáng)、和良好的導(dǎo)熱性能以及耐腐蝕性能。所以這種輕質(zhì)才可已經(jīng)被國內(nèi)外汽車制造的廠家廣泛地應(yīng)用在汽車制造的過程中。同時(shí)這種材料也被稱為“21世紀(jì)綠色工程材料”。而且這種材料可以承受劇烈的振動，因此非常適合用在振動噪聲而導(dǎo)致疲勞的零件之中。另外，鎂合金材料是屬于特別容易加工的一種，這種材料的加工能耗是鋁合金的一半，并且這種材料還是密度最低的和最輕的一種材料，又因?yàn)檫@種材料的價(jià)格較為昂貴，并且再生技術(shù)也不完善，所以這種材料雖然重要，但是應(yīng)有范圍有限。

另一個(gè)就是非金屬材料，其中包括塑料和復(fù)合材料等。其中塑料經(jīng)常被應(yīng)用在汽車的內(nèi)飾，如頂襯和儀表臺以及遮陽板，還有汽車上經(jīng)常觸摸使用的手柄和支架之上。這是因?yàn)樗芰蠐碛忻芏刃『统尚涡院靡约傲己玫母魺岷透粢粢约案粽裥阅堋Ｍ瑫r(shí)塑料的外觀以及觸感都是較好的。現(xiàn)如今塑料還被用在前后保險(xiǎn)杠上。另一方面由于塑料件具有良好的外觀和觸感。 塑料件還大量用作前后保險(xiǎn)杠的材料。隨著國家的發(fā)展，復(fù)合材料逐漸興起和應(yīng)用，尤其是有機(jī)纖維可以都是復(fù)合材料的強(qiáng)度性能得到增加，有時(shí)可以用來代替鋼板材料，以此實(shí)現(xiàn)降低零件重量的目標(biāo)。同時(shí)還可以使用碳纖維去提升復(fù)合材料，進(jìn)而去制作懸架系統(tǒng)的零件，以此保障汽車輕量化設(shè)計(jì)的效果，推動汽車行業(yè)的發(fā)展[4]。

3 結(jié)束語

綜上所述，汽車輕量化設(shè)計(jì)是時(shí)代發(fā)展的趨勢，更是國民生活水平和質(zhì)量提升的要求。因此，在國家發(fā)展的過程中，就要對汽車輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的措施，保障設(shè)計(jì)的結(jié)果，提高汽車行業(yè)的發(fā)展速度。通過這樣的方式，實(shí)現(xiàn)國家汽車行業(yè)快速發(fā)展的目的，滿足國民的需求，進(jìn)而為我國建設(shè)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國和和諧社會奠定基礎(chǔ)。

項(xiàng)目：安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院雨耕學(xué)院項(xiàng)目式人才培養(yǎng)計(jì)劃（yg202004）。

基金項(xiàng)目：安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2021A1520）主管單位：安徽省教育廳。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李永湘，許天輝，王光艷.汽車車門輕量化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀及其技術(shù)措施[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019，280（2）：33-34.

[4]秦祥春，劉陽，張國強(qiáng).專用汽車與輕量化技術(shù)趨勢的研究[J].區(qū)域治理，2019，（3）：172-172.357B4163-A6FE-4D75-AE92-75252C7459B8