汽车车门轻量化设计研究现状及其技术措施

李永湘 许天辉 王光艳

摘 要：为降低汽车车门重量，解决汽车经济性和节能环保问题，分析了汽车车门轻量化设计研究现状，给出了车门轻量化技术措施，通过采用合理的整车布局、优化车门结构、选择新材料和新的制造技术可以实现车门轻量化，并改善国内汽车综合性能。

关键词：汽车车门;轻量化设计;结构优化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.022

0 引言

隨着经济的快速发展和人民生活水平的提高，汽车作为民众出行的一种普通交通工具逐渐进入我国普通家庭。汽车的经济性和节能环保问题受到人们越来越多的关注。汽车轻量化设计是提高汽车经济性、节省能耗和降低污染物排放的一个重要举措。由于车身和底盘是汽车主要受力结构件，直接关系到汽车的工作性能和安全性，不容易减少其重量。而汽车车门轻量化设计可行性比较好，对解决汽车经济性和节能环保问题具有重要意义。

1 汽车车门轻量化设计研究现状

汽车类型多种多样，不同车型的汽车车门也有所区别，一些学者主要从整车轻量化技术、车门结构优化和车门材料技术三个角度研究了汽车车门轻量化问题。

在整车轻量化技术研究方面，德州学院王林林等对小型乘用车车身覆盖件进行虚拟建模仿真研究，优化了设计参数[1]。吉林大学叶辉等研究了车身刚度、模态与板厚之间的关系，求解了最小车身重量，并进行了碰撞仿真试验[2]。上海交通大学刘钊等研究了车身多学科优化问题，并将粒子群算法进行改进后运用于轿车结构的优化[3]。

在车门结构优化研究方面，扬州大学华琰等基于HyperMesh对汽车车门防撞梁进行有限元分析和结构优化，设计了一种W形状的车门防撞梁结构[4]。首钢技术研究院魏福林等采用NSGA-Ⅱ算法从强度、刚度、安全性等多个方面优化了汽车车门外板结构[5]。陕西重型汽车有限公司车红江等从车门关闭力角度优化了重型卡车车门结构[6]。

在车门材料技术研究方面，众泰汽车研究院冀鹏研究了HC300/500DP材料应用于汽车车门外板的力学性能[7]。上海理工大学高大威等研究了超高强度钢22MnB5用于汽车车门防撞杆的力学性能和结构优化[8]。中铝材料应用研究院任毅斌等研究了5182铝合金在车身材料连接中应用[9]。

2 车门轻量化技术措施

综合上述研究工作，要实现车门轻量化，可从整车布局、车门机构、材料选择和制造技术四个方面采取措施。如图1所示。

2.1 采用合理的整车布局

利用CAE等工具建立汽车整车分析模型，进行整车的静力学分析、动力学分析、振动分析、稳定性分析、碰撞分析等，构建尺寸优化、形状优化、拓扑优化、多学科设计优化数学模型，对整车布局进行优化设计。

2.2 优化车门结构

车门结构优化重点需要合理布置车门上的各部分结构，例如车门与其周边结构件之间的关系、门锁的安装、铰链的位置、窗口框架结构、玻璃及其升降器的设计、密封部件设计等等，车门结构设计涉及的因素多，可将遗传算法、粒子群算法、多目标学科优化方法等进行改进引入到车门的结构优化中，求解车门结构参数最优值或次优值。

2.3 选择新材料

一些新材料的应用、复合材料的选用和不同材料的组合使用可减少车门的总体重量，不同材料有不同的性能，可根据车门不同部位的要求选择合适的材料，例如，高强度钢可用于制造车门外壳等，而球墨铸铁密度比钢的密度要小，所以在恰当的部位用球墨铸铁代替钢可以减少车门重量。低密度金属铝合金、钛合金、镁及镁合金的使用也可大大减少车门重量。部分地方还可使用塑料和陶瓷材料代替钢。碳纤维增强材料、玻璃纤维增强材料等复合材料也可作为汽车车门部分结构件材料。合理地选择、组合和使用材料，可提高汽车车门的综合性能，并减少车门重量。

2.4 应用新的制造技术

制造技术直接影响汽车车门的性能，国内部分汽车企业的钣金模具精度低，车门成型质量差。需要不断提高模具精度，锤炼制造技术，研究新工艺，改进工艺参数，提高冲压、焊接、胶合、装配技术水平，从而提高车门成型质量，降低车门重量。

3 结束语

当前国内汽车总体处于中低档水平，汽车车门所用材料以铝合金和高强度钢应用比较多，国内汽车质量比欧日系汽车要低，通过采用合理的整车布局、优化车门结构、选择新材料和新的制造技术可以实现车门轻量化，并改善国内汽车综合性能。

参考文献：

[1]王林林，刘世达，陈照青.基于汽车轻量化车身覆盖件的建模优化[J].农业装备与车辆工程，2018（02）：94-96.

[2]叶辉，胡平，申国哲，孙宏图，刘波，周定陆.基于灵敏度和碰撞仿真的汽车车身轻量化优化设计[J].农业机械学报，2010（10）：18-22，27.

[3]刘钊，李晗，朱平.基于粒子群算法的轿车车身多学科优化设计 [J].汽车工程，2018（03）：251-258.

[4]华琰，徐晶，陈新文，单金良，李磊，谢显晨.汽车车门防撞梁结构改进与安全性分析[J].机械工程与自动化，2017（06）：1-2.

[5]魏福林，李春光，刘立现，王彦超，张伟.基于NSGA-Ⅱ的汽车车门外板多目标结构优化设计[J].汽车零部件，2017（08）：3-8.

[6]车红江，樊敏锋，杜涛，薛增斌.某重型卡车车门关闭力分析优化[J].汽车实用技术，2018（18）：57-59.

[7]冀鹏.HC300/500DP在汽车车门外板应用验证[J].汽车实用技术， 2018（02）：84-86.

[8]高大威，邓有志，高云凯.超高强度钢车门防撞杆结构多学科优化[J].公路交通科技，2012（06）：144-149.

[9]任毅斌，吴少朋，汪伟.5182铝合金柔性包边连接在铝合金车身上的应用[J].汽车工艺与材料，2017（10）：48-50，56.