轻量化车身性能目标的研究和应用

孔镱森　段明双

摘 要：轻量化是汽车工业发展的重要趋势，同时也是其节能减排实现的主要手段。本文在阐述轻量化车身性能目标实现方式的基础上，对轻量化车身的结构设计、材料应用和制造工艺进行系统分析并指出汽车车身轻量化技术的发展方向。以期有利于轻量化车身性能目标的实现，进而推动汽车节能减排工艺的进一步发展。

关键词：轻量化;车身性能;结构设计;材料应用;制造工艺

1 引言

随着社会经济的不断发展，汽车产业发展迅速，汽车保有量的数目急剧增加，由此带来了严重的能源消耗和环境污染问题。新经济形态下，实现汽车产业的节能化发展已成为行业设计生产的内在要求。在生产过程中，汽车结构的轻量化成为其节能减排的有效措施，本文就轻量化车身性能目标的实现进行系统分析。

2 轻量化车身性能目标实现方式

新时期，轻量化是汽车设计生产的重要特征，就设计过程而言，其不仅保证了汽车减重的实现，更对其动力性、舒适性和稳定性具有重大影响。近年来，面对着较为严峻的资源和环境压力，汽车轻量化的研究进一步深入，从轻量化车身性能目标实现过程来看，其实现方式包含了汽车结构优化设计、轻量材料应用和制造工艺应用三种类型[1]。汽车结构优化设计包含了拓扑优化、尺寸优化、形状优化、多学科设计优化等诸多内容，而这些优化方法是基于有限元分析软件建立数学模型进行求解分析得出最优的结果，比较常用的软件有Hyperworks，Abaqus等业内知名软件。而高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料是轻量化材料应用的主要形态。此外，在先进制造工艺方面，液压成型和激光焊接是保证车身质量的关键技术。

3 轻量化车身的结构优化

3.1 车身结构的拓扑优化

拓扑优化的应用处于汽车研发的概念设计阶段;在优化开始前，汽车结构的布局情况处于未知状态。具体而言，拓扑设计过程中，通过对车身结构的数学模型进行设计空间上的限制，然后在满足各种性能约束条件下，在此空间内找到传力路径、结构材料的最佳分布形式，从而确保设计目标的达成。与传统设计相比通过建立虚拟样机仿真分析，使其减少物理样机的生产数量，实现了产品研发效率的提升和生产成本的节约[2]（如图1）。

3.2 车身结构的尺寸优化

车身尺寸设计是其轻量化设计最基本的内容，其设计工艺较为成熟。汽车研发过程中，尺寸优化基于汽车车身结构的类型、材料、外形和布局而产生，其对相关部件的尺寸进行变量控制，确保在不同工况下，车身结构质量最小时，其强度、刚度、振动和吸能都能满足正常行驶的使用要求。一般情况下，为确保车身结構尺寸优化的合理性，汽车设计人员需要在体积最小原则的指导下，对其进行目标函数设计和数学模型搭建;从而实现轻量化车身性能目标。

3.3 车身结构的形状优化

汽车结构形状优化过程中，整体或局部的外形调整是其轻量化实现的基本方式。通过形状优化，汽车的车身设计可完成以下两个目标控制：其一，保证车身结构受力的均匀性;其二，实现制造材料的充分利用。一般情况下，汽车车身结构的几何外形不同，其形状优化的方式也存在差异。对于汽车车身结构而言，若车身的几何外形较为规则，则设计人员可通过参数化对其进行结构调整;而在不规则几何外形设计过程中，无参形状优化方式是其形状调整的基本手段。实践过程中，只有合理统筹这两种方式的差异，并在其约束条件控制的基础上，进行优化要点的保证，才能确保其结构应用的合理化，实现车身轻量化发展。

汽车结构轻量化设计是一个系统复杂的实践过程，从本质上讲，其具有多学科、多目标的基本特征。就设计过程而言，其还应在强度、刚度、模态、碰撞性和噪声振动等方面进行系统把控，才能确保车身结构设计的轻量化、合理化。

4 轻量化车身的材料应用

4.1 高强度钢

高强度钢是基于固溶、析出、细化晶粒等强化手段而生产的一种现代化工业用材，一般情况下，当钢材的屈服强度达到210～550MPa，则其可被作为高强度钢进行工程使用，而当钢材的屈服强度超过550MPa时，其相关指标符合超高强度钢的应用标准。当前环境下，AHSS是一种全新化的超高强度钢，又称先进高强度钢，其不仅在强度和延伸率等方面具有突出优势，如图2所示。还具有很好的吸能性、耐蚀性、抗疲劳性，在汽车轻量化和提高安全性方面起着非常重要的作用，已经广泛应用于汽车工业。目前，高强度钢主要应用于汽车结构件、安全件和加强件，如A/B/C柱、车门槛、前后保险杠、车门防撞梁、横梁、纵梁、座椅滑轨等零件;实践过程中，因其强度高，所以可使用更薄更轻的板料，故而有效的满足了车身轻量化设计要求。

4.2 合金材料

与钢铁材料相比，合金材料在质量、耐腐蚀和加工工艺上具有较为突出的优势。就铝合金而言，质量轻、耐腐蚀性能好、加工便捷等都是其重要的特征所在。另外，镁合金也是一种强度和刚度较高的新型材料。这些合金材料广泛的应用于汽车的发罩外板、前翼子板、车门、车厢底板结构件等部位，实现了车身质量的有效降低。

4.3 塑料及纤维复合材料

塑料及纤维复合材料是当前汽车工业生产使用的重要材料。当前环境下，复合材料的应用类型不断深入，且应用规模持续扩大。从应用过程来看，聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、热固性复合材料等都是较为常见的应用类型。它们被广泛的应用于汽车车内装饰、外观装饰和功能键件，确保了汽车轻量化的高效发展。

5 轻量化车身的先进制造工艺应用

5.1 液压成型制造工艺

作为轻量化技术应用的代表，液压成型技术的应用效果十分显著。该技术是利用流体介质代替模具来传递压力以实现金属塑性加工成形的一种加工工艺，就液压成形的技术代表——管材内高压成形技术而言。其在管材内部施加超高压液体，并通过轴向活塞对管坯施加轴向推力进行补料。在这两种外力的共同作用下，管坯材料将在模具型腔内中发生塑性变形，并得到最终所需的中空零件。与传统冲压焊接加工工艺相比，该工艺省去了传统工艺的二次操作和焊接装配等步骤，因而简化了产品结构和零件数量、实现管材减重、质量提高，以及形状自由度增强等技术突破。内高压成形技术目前主要应用在汽车行业，包括副车架、纵梁、保险杠、仪表板管梁、摆臂等零件。 据统计，一旦汽车车身采用液压成型制造工艺进行生产，其零件成本可降低11%。同时设备成本和车身质量会分别降低14%和7.3%[3]。这对于汽车轻量化发展和节能减排具有重大影响。（该指标由液压成型技术开发商Vari.Form统计表来）

5.2 激光焊接技术应用

激光焊接技术应用过程中，高能量、高密度的激光是其焊接实现的主要热源。在其应用下，汽车焊接的效率得以有效提升，并且在焊缝深度比、热输入、焊接变形控制等方面具有突出优势。就目前生产而言，零部件、板材、车身是激光焊接应用的三种基本形式。

6 轻量化车身的技术发展

新经济形态下，轻量化车身已成为其产业发展的重要趋势。就技术发展过程而言，基于有限元分析的汽车拓扑优化、尺寸优化和形状优化技术已经逐步成熟，且应用范围不断拓宽，要实现轻量化结构设计技术的进一步发展，在产业发展过程中，从业人员就必须注重其多目标、多学科设计方法的优化。同时，在轻材料应用过程中，新型塑料及纤维复合材料不仅具有较高的经济性、更在稳定性和质量控制方面较为突出，确保了汽车轻量化材料高效应用的实现。另外，在汽车轻量化工艺应用中，实现零部件的轻量化发展是其重要的发展方向。只有实现这些因素的合理控制，才能确保其轻量化设计质量的提升，进而满足人们的生产生活需要。

7 结论

轻量化性能目标的实现对汽车产业发展具有重大影响。汽车设计、生产人员只有充分认识到车身轻量化的必要性，并在具体的设计生产过程中做好结构设计、材料应用和制造工艺等方面的保证，才能确保轻量化车身性能目标的实现，进而推动汽车节能减排工艺的进一步发展。

参考文献：

[1]郑晖，赵曦雅.汽车轻量化及铝合金在现代汽车生产中的应用[J].锻压技术，2016（2）：1-6.

[2]肖勇，丁玉梅，秦柳，等.新能源汽车轻量化的关键技术[J].塑料，2016，45（2）：98-100.

[3]赵玉田.基于汽车轻量化设计的铝铜合金性能研究[J].铸造技术，2016（3）：521-523.