王若平，羊　杰，丁　華，劉　濤，張雅楠（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇　鎮(zhèn)江　212013）

汽車輕量化與有限元分析

王若平，羊杰，丁華，劉濤，張雅楠
（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

研究資料表明，汽車的燃油消耗與汽車的自身質(zhì)量成正比，汽車質(zhì)量每減輕1%，燃油消耗率降低0.6%-1%。客車車身骨架占整個(gè)客車質(zhì)量大約三分之一，所以，客車車身骨架的輕量化對(duì)整個(gè)客車的輕量化具有很大的意義。

城市客車；輕量化；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車排放已成為我國大城市空氣污染的主要來源。汽車直接排放的顆粒物，以及排放的氮氧化物和碳?xì)浠衔锓磻?yīng)形成的二次顆粒物，均是環(huán)境空氣中PM2.5的組成部分。隨著汽車保有量的上升，機(jī)動(dòng)車各類污染物排放分擔(dān)率每年上升1至2個(gè)百分點(diǎn)。

國際各大汽車生產(chǎn)商都投入大量的科研經(jīng)費(fèi)來尋求車身輕量化設(shè)計(jì)的有效措施，車身輕量化已成為汽車發(fā)展行業(yè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵性研究課題。然而，我國很多中小型客車企業(yè)常常采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行客車車身骨架的設(shè)計(jì)，比如采用經(jīng)驗(yàn)或者類比的方法，，可是這些方法缺乏建立在力學(xué)特性如強(qiáng)度、剛度等分析基礎(chǔ)上的依據(jù)，使材料得不到充分利用。

1　輕量化

1.1輕量化與環(huán)保

隨著汽車保有量的迅速增加，汽車在帶給人們方便和快捷的同時(shí)，也帶來了許多負(fù)面的影響，如交通事故、噪聲和有害氣體排放等。其中汽車尾氣是一種流動(dòng)分散污染源，在建筑物比較密集的居民集居地和繁華地帶，不能得到及時(shí)的稀釋和擴(kuò)散，另外，由于汽車尾氣的排放高度在地面附近，正處在人的呼吸區(qū)域，因此人類生活空間及呼吸層會(huì)受到嚴(yán)重污染。為了減少汽車排放對(duì)環(huán)境的污染。

無論是從國家政策還是從企業(yè)對(duì)環(huán)境與社會(huì)的責(zé)任方面考慮，汽車工業(yè)要想發(fā)展就必須想辦法解決汽車尾氣問題。降低排放有多種途徑，但是最根本的方法是釜底抽薪，即減少石油的石油，汽車輕量化可以達(dá)到降低油耗的目的，可以有效地減少排放量。并且，汽車質(zhì)量輕了，便減少了對(duì)道路的沖擊載荷，緩解對(duì)道路的破壞。

1.2輕量化與整車性能

近年來隨著人民生活水平的提高，汽車越來越高檔次，為提高舒適性，許多客車已經(jīng)安裝了空調(diào)、車載電視等，使客車質(zhì)量增大，導(dǎo)致客車的碰撞慣性增加、重心高度提高和油耗增加等?？蛙囕p量化與整車性能改善的關(guān)系主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：第一，輕量化可以提高客車的比功率，在客車發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率不變的情況下，降低客車的整車質(zhì)量，必將增加單位質(zhì)量的輸出功率，從而使客車的后備功率和加速能力得到提高；第二，輕量化可以改善汽車的操縱穩(wěn)定性，客車的質(zhì)心高度降低，行駛更加舒適，汽車的抗側(cè)傾能力也將得到提高［1］。

2　有限元分析

2.1有限元概述

有限元法又稱為有限單元法，是結(jié)構(gòu)工程師和應(yīng)用數(shù)學(xué)研究人員共同智慧的結(jié)晶。有限元法是將物體即連續(xù)的求解域離散成有限個(gè)簡單單元的組合，用這些單元的集合來模擬或逼近原來的物體，從而將一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題簡化成離散的有限自由度問題。

20世紀(jì)40年代有限元法起源于航空工程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析，其基本思想和原理是“簡單”又“樸素的”。發(fā)展初期，許多學(xué)術(shù)權(quán)威都不承認(rèn)這種方法的學(xué)術(shù)價(jià)值，國際著名刊物Journal of Applied Mechanics 許多年來都拒絕刊登關(guān)于有限元的任何文章，認(rèn)為其沒有新的科學(xué)實(shí)質(zhì)，然而經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，有限元法研究范圍已經(jīng)由桿件問題擴(kuò)展到彈性力學(xué)乃至塑性力學(xué)問題，由平面問題擴(kuò)展到空間問題，由靜力學(xué)擴(kuò)展到動(dòng)力學(xué)，由固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、熱力學(xué)和電磁學(xué)。目前，CAE技術(shù)作為有限元法的代表，已被廣泛運(yùn)用到現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的過程中。

2.2有限元方法的一般過程

有限元分析是模擬物理現(xiàn)象，近似真是情況的數(shù)值，將分析對(duì)象劃分網(wǎng)格并且求解通過求解有限個(gè)數(shù)值來近似模擬真實(shí)環(huán)境地未知量。其分析過程包含了建立模型、加載求解、查看分析結(jié)果三個(gè)主要過程。

（1）建立模型：根據(jù)實(shí)際情況建立有限元分析的計(jì)算模型。其中心任務(wù)是離散即劃分網(wǎng)格，其它相關(guān)工作包括創(chuàng)建或讀入幾何模型、材料屬性定義、單元質(zhì)量檢查、單元特性定義、編號(hào)順序優(yōu)化以及模型邊界條件模擬等。

（2）加載計(jì)算：完成與有限元方法有關(guān)的數(shù)值計(jì)算。包括選擇分析類型并設(shè)置分析選項(xiàng)、施加載荷、設(shè)定約束條件、執(zhí)行求解。計(jì)算分析往往需要計(jì)算機(jī)具備足夠的內(nèi)存，并且需要耗費(fèi)大量時(shí)間。

（3）查看分析結(jié)果：有限元計(jì)算得出的結(jié)果必須經(jīng)過合理的處理，結(jié)果打印或顯示出來，分析計(jì)算結(jié)果，評(píng)估結(jié)構(gòu)性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

整個(gè)分析過程的關(guān)鍵是有限元模型的建立，所有實(shí)際結(jié)構(gòu)的原始數(shù)據(jù)都通過有限元模型表現(xiàn)出來，模型的質(zhì)量直接影響計(jì)算結(jié)果的精度；有限元模型既能保證計(jì)算結(jié)果的精度，又不會(huì)對(duì)計(jì)算量和計(jì)算機(jī)存貯容量有太高的要求。

3　輕量化研究的基本方法

目前汽車輕量化一般有三種途徑，第一是利用輕質(zhì)材料進(jìn)行材料輕量化；第二是利用革新制造工藝實(shí)現(xiàn)輕量化；第三是從結(jié)構(gòu)入手，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行輕量化。

3.1材料輕量化

世界汽車用材研究表明，輕質(zhì)材料是汽車輕量化的重要部分。汽車材料選擇的好，一定程度下可以提升汽車設(shè)計(jì)、品質(zhì)及競爭力，直接影響了汽車技術(shù)的發(fā)展。目前有兩大類輕量化材料在汽車上應(yīng)用較多，一類是高強(qiáng)度材料；另一類是低密度的輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等。

雖然汽車新材料可以在很多方面起到降低汽車自重的作用，但是由于部分新材料價(jià)格較貴，且各種應(yīng)用于車身的輕質(zhì)材料都存在著不同于目前普通低碳鋼的成型工藝問題，所以在汽車上的應(yīng)用還不是很廣泛，目前主要集中在轎車上，而在大客車領(lǐng)域則較少應(yīng)用。

3.2新制造工藝

在利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和輕型材料進(jìn)行汽車輕量化的同時(shí)，常需要革新制造工藝，從而進(jìn)一步減少質(zhì)量，降低成本。革新制造工藝進(jìn)行輕量化的研究主要集中在以下三個(gè)方面：

（1）輕型結(jié)構(gòu)件的創(chuàng)新制造工藝：主要有管件液壓脹形新工藝和塑料中空成型工藝。德國大眾汽車公司成功開發(fā)出鋁合金液壓脹形的B5缸BMW汽車的后橋，減重效果明顯。美國福特公司在Mondco轎車上采用液壓成形技術(shù)制造的發(fā)動(dòng)機(jī)支架，與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比，零件個(gè)數(shù)減少了5個(gè)，制造工序減少了29道，構(gòu)件質(zhì)量減少了6kg，成本減少了10英鎊［2］。在采用塑料中空成型工藝這上面最成功的例子就是用聚乙烯塑料中空成型轎車的燃油箱，在我國已經(jīng)成功地用在捷達(dá)轎車上。另外，用輕金屬基復(fù)合材料制造殼體類零件和功能零件的壓鑄與冷鍛工藝業(yè)已取得了突破，達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化程度。

（2）輕型結(jié)構(gòu)件新的優(yōu)化連接工藝：將內(nèi)高壓成型的管件，按優(yōu)化的尺寸加工好端面并清洗后，采用激光焊接將構(gòu)件連接成輕型結(jié)構(gòu)件，有的還可采用超塑性擴(kuò)散連接新工藝［3］。

（3）產(chǎn)品開發(fā)中的集成創(chuàng)新工藝：對(duì)于汽車的某個(gè)總成件如車身或驅(qū)動(dòng)橋都應(yīng)貫徹采用輕型結(jié)構(gòu)的原則。此時(shí)的最佳產(chǎn)品設(shè)計(jì)是將選擇材料、確定核心工藝等綜合起來考慮。即在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，事先就把新選定的材料與減少質(zhì)量的工藝集成到設(shè)計(jì)中去，這樣不僅可以縮短制造過程工藝鏈，還能顯著減小質(zhì)量并降低生產(chǎn)成本。這種方法最成功的典范就是整體無縫式汽車驅(qū)動(dòng)橋殼與轎車副車架的設(shè)計(jì)。

3.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過一些現(xiàn)代化的優(yōu)化軟件，比如Ansys，對(duì)汽車的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，既滿足了強(qiáng)度、剛度等各項(xiàng)性能要求，又去除了冗余材料，使車身部件中空化、薄壁化、小型化和精簡化，從而在根本上減輕整車質(zhì)量。目前，可用于客車車身結(jié)構(gòu)輕量化的研究方法主要有拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，需要依據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)約束限制加以選擇。

拓?fù)鋬?yōu)化的原理是依賴于有限元方法，找到結(jié)構(gòu)剛度在設(shè)計(jì)空間最佳的分布形式，或者在設(shè)計(jì)域空間找到結(jié)構(gòu)最好的傳力路線，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)的某些性能或者減輕重量。

形狀優(yōu)化主要關(guān)注結(jié)構(gòu)的具體形狀，包括整體形狀和零部件形狀，設(shè)計(jì)變量一般選擇控制結(jié)構(gòu)形狀的邊界節(jié)點(diǎn)的幾何信息或者可以描述結(jié)構(gòu)邊界的基函數(shù)，工程中常選用B-Spline，NURBS曲線或者曲面中可以自由變化的參數(shù)。連續(xù)體結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化，使用適當(dāng)?shù)那€、曲面方程或是一組基函數(shù)加上自由參數(shù)來描述結(jié)構(gòu)邊界形狀，其設(shè)計(jì)變量為這些自由參數(shù)，運(yùn)用數(shù)值法和解析法進(jìn)行計(jì)算，或者先用解析法將所要優(yōu)化的問題公式化，再用數(shù)值法進(jìn)行搜索尋優(yōu)。

尺寸優(yōu)化是在不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)布局和拓?fù)潢P(guān)系的情況下進(jìn)行的優(yōu)化。將單元屬性如梁單元的橫截面積、殼單元的厚度、質(zhì)量單元的質(zhì)量和彈簧單元的剛度等作為設(shè)計(jì)變量；質(zhì)量或體積最小作為目標(biāo)函數(shù)。尺寸優(yōu)化不僅可以確定拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，最重要的是可以對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在滿足技術(shù)要求的前提下，選擇最優(yōu)的尺寸參數(shù)降低結(jié)構(gòu)重量；在利用有限元方法時(shí)，不需要改變結(jié)構(gòu)的有限元模型就可以進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，故已廣泛使用于汽車的輕量化研究項(xiàng)目中。

總之，汽車車身輕量化是一項(xiàng)有利于設(shè)計(jì)理論、工程設(shè)計(jì)、工程制造、實(shí)踐驗(yàn)證的重要手段，必將有一段努力的探索過程。經(jīng)過努力，汽車必然是清潔、強(qiáng)大、輕量的代步工具，必然引導(dǎo)新一代的潮流。

［1］張屹林，王洪民，王海濤等.汽車輕量化與鋁合金［J］.內(nèi)燃機(jī)配件，2004（05）：37-40.

［2］牟偉杰.電源車車廂結(jié)構(gòu)分析及輕量化研究［D］.蘭州理工大學(xué)，2011.

［3］韓英淳，于多年，趙靜宜等.汽車輕量化的設(shè)計(jì)與制造新工藝［J］.汽車工藝與材料，2003（05）：6-8.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.198