楊懷高，沈 偉

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州545007）

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車(chē)身輕量化技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

楊懷高，沈 偉

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州545007）

摘要：汽車(chē)輕量化技術(shù)現(xiàn)今已成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的重要研究課題之一，也是企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力的有力武器。主要介紹目前主流的先進(jìn)的車(chē)身輕量化技術(shù)，從輕質(zhì)材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三方面闡述并著重分析車(chē)身輕量化技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用，對(duì)企業(yè)選擇與之相適應(yīng)的輕量化技術(shù)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：輕量化；高強(qiáng)度鋼板；激光拼焊

1　汽車(chē)輕量化技術(shù)應(yīng)用背景

伴隨著能源的逐漸枯竭，節(jié)能減排已然上升為國(guó)家戰(zhàn)略高度。實(shí)驗(yàn)證明，若汽車(chē)整車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車(chē)整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升；汽車(chē)重量降低1%，油耗可降低0.7%［1］.因此，在節(jié)能減排日益緊迫的背景下，汽車(chē)的輕量化已經(jīng)成為當(dāng)今世界汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的潮流。汽車(chē)輕量化有效的節(jié)油的同時(shí)，還可以顯著提升汽車(chē)的操控性、減少?gòu)U氣排放、降低噪音、增加安全性。由此可見(jiàn)，輕量化技術(shù)的應(yīng)用可極大提高汽車(chē)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。汽車(chē)輕量化的好處如圖1所示。

圖1　汽車(chē)輕量化的必要性

2　車(chē)身輕量化技術(shù)

汽車(chē)整車(chē)輕量化途徑可歸納為以下幾種：一是，發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化，例如全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用；二是，底盤(pán)機(jī)構(gòu)件輕量化，主要使用底盤(pán)零件輕量化技術(shù)實(shí)現(xiàn)；三是，車(chē)身附件的輕量化，例如儀表臺(tái)、座椅等附件的輕量化；四是，車(chē)身輕量化，主要通過(guò)材料輕量化、制造工藝創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面實(shí)現(xiàn)車(chē)身質(zhì)量的減重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，車(chē)身質(zhì)量占整車(chē)質(zhì)量30%～40%左右，制造成本占整車(chē)成本15%～30%，因此，汽車(chē)白車(chē)身的輕量化對(duì)于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗和降低汽車(chē)總體重量均有益處，是當(dāng)前重要汽車(chē)輕量化的手段之一。

然而車(chē)身輕量化技術(shù)并不是單純地將白車(chē)身總體重量減輕，而是在保證車(chē)身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度可靠性、耐久性的前提下，特別還需考慮汽車(chē)的NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能，盡可能地使用各種先進(jìn)的技術(shù)手段來(lái)降低汽車(chē)白車(chē)身的重量，同時(shí)要保證汽車(chē)白車(chē)身的制造成本控制在企業(yè)所要求的范圍內(nèi)。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外企業(yè)流行且成熟的汽車(chē)車(chē)身輕量化技術(shù)主要有：第一，輕質(zhì)材料技術(shù)的應(yīng)用，如高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金、塑料增強(qiáng)材料、仿生結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料及陶瓷材料等；第二，企業(yè)制造中新工藝不斷涌現(xiàn)，如新的成型方法和連接技術(shù)；第三，計(jì)算機(jī)有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化及CAD、CAE輔助設(shè)計(jì)和分析技術(shù)的應(yīng)用。

2.1基于輕質(zhì)材料的輕量化

2.1.1高強(qiáng)度鋼在車(chē)身上的應(yīng)用

高強(qiáng)度鋼目前已成為被企業(yè)廣泛使用的輕量化材料。它在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面，相比其他材料具有非常大的優(yōu)勢(shì)。車(chē)身使用高強(qiáng)度鋼板，在改善汽車(chē)的安全和碰撞性能同時(shí)有效減輕車(chē)身重量。對(duì)于傳統(tǒng)的碳素鋼，其雖然可以吸收碰撞能量，但相比高強(qiáng)度鋼材料重量大，影響燃油經(jīng)濟(jì)性。高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用于車(chē)身零部件，可顯著減薄車(chē)身部件厚度、降低車(chē)身重量，還可以提高汽車(chē)零部件的有效強(qiáng)度，在降低燃油消耗的同時(shí)又可提高汽車(chē)的安全性［2］。

現(xiàn)形的鋼材按強(qiáng)度通?？蓜澐譃槿?lèi)：普通鋼、高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼（如圖2所示）。但對(duì)于高強(qiáng)度鋼板，世界上目前暫無(wú)準(zhǔn)確的定義和規(guī)范分類(lèi)方法，以下是一些國(guó)家和國(guó)際組織及協(xié)會(huì)對(duì)于高強(qiáng)度鋼板的界定和劃分。

圖2　鋼材的分類(lèi)

（1）一些國(guó)家和組織對(duì)高強(qiáng)度鋼板的界定和劃分

1）國(guó)內(nèi)

普通高強(qiáng)度鋼板：采用傳統(tǒng)工藝或者少許改良工藝生產(chǎn)出來(lái)的剛強(qiáng)度鋼板，其機(jī)械性能較弱：抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度相對(duì)較低。如：IF鋼板、IS鋼板、BH鋼板、HSLA鋼板。

先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板：采用當(dāng)前先進(jìn)工藝、先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)出來(lái)的高強(qiáng)度鋼板。如：雙相鋼板（DP鋼板）、相變誘發(fā)塑性鋼板（TRIP鋼板）、馬氏體鋼板（M鋼板或Mart鋼板）、熱成型鋼。

2）日本

高強(qiáng)度鋼板（HSS）：σs≥340 MPa（冷軋鋼板）

σs≥490 MPa（熱軋鋼板）

3）德國(guó)（BMW）

高強(qiáng)度鋼板（HSS）:180MPa≤σs＜300 MPa

先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板（AHSS）：300 MPa≤σs＜600 MPa

超高強(qiáng)度鋼板（UHSS）:σs≥600 MPa

4）ULSAB組織（世界輕質(zhì)鋼制車(chē)身協(xié)會(huì)）

高強(qiáng)度鋼板（HSS）:210 MPa≤σs≤550 MPa

超高強(qiáng)度鋼（UHSS）:σs＞550 MPa

5）IISI（國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)）

主要通過(guò)概念上，把高強(qiáng)度鋼板定性的劃分為：高強(qiáng)度鋼板（HSS）和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板（AHSS）.

隨著技術(shù)的進(jìn)步，高強(qiáng)鋼的性能得以不斷的提升。現(xiàn)在采用先進(jìn)設(shè)備及工藝方法生產(chǎn)出來(lái)的鋼板，其強(qiáng)度可達(dá)到500 MPa到1 500 MPa之間，將這類(lèi)鋼板稱(chēng)為先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS），這包括雙相鋼板（DP鋼板）、相變誘發(fā)塑性鋼板（TRIP鋼板）和馬氏體鋼板（M鋼板或Mart鋼板）、熱成形鋼等。但是由于汽車(chē)企業(yè)制造過(guò)程受到成本、工藝的制約，不可能無(wú)限制的使用超高強(qiáng)度的鋼板來(lái)解決輕量化問(wèn)題。對(duì)不同部位，起不同作用的部件，需選用不同強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼，以達(dá)到用最小的成本、重量和工藝投入換來(lái)最優(yōu)的安全性、耐久性、NVH表現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的車(chē)身功能目的。

（2）高強(qiáng)度鋼在汽車(chē)上的應(yīng)用實(shí)例

以下列舉了目前各大汽車(chē)企業(yè)主流車(chē)型高強(qiáng)度鋼的選擇與應(yīng)用：

1）雙相（Dual-Phase簡(jiǎn)稱(chēng)DP）鋼：一般用于需高強(qiáng)度、高的抗碰撞吸收能且成形要求也較嚴(yán)格的汽車(chē)零件，常被用在汽車(chē)的吸收碰撞、傳導(dǎo)能量的加強(qiáng)板的零件上，例如地板連接梁、前圍橫梁等。DP鋼是目前結(jié)構(gòu)類(lèi)零件的首選材料。

2）相變誘導(dǎo)塑性（TransformationInducedPlastic簡(jiǎn)稱(chēng)TRIP）鋼：特別適合要求具有高的脹型情況，主要用于碰撞時(shí)必須吸收較多能量的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件和安全件。

3）復(fù)相（ComplexPhase簡(jiǎn)稱(chēng)CP）鋼：因其具備優(yōu)秀的吸收能和優(yōu)越的擴(kuò)孔性能，特別適合于前后車(chē)門(mén)夾層防撞桿、前后防撞梁和B柱加強(qiáng)板等安全零件。

4）馬氏體鋼（MS）：是目前應(yīng)用廣泛的高強(qiáng)度鋼板中強(qiáng)度級(jí)別最高的鋼種，具有成熟的商業(yè)性。由于其硬度高成型困難，現(xiàn)今主要應(yīng)用于車(chē)門(mén)防撞桿等零件代替管狀零件，以便于減少制造成本。

5）高強(qiáng)度IF鋼：IF鋼板性能高度穩(wěn)定、可塑性能好。主要用于汽車(chē)板深沖級(jí)和超深沖級(jí)沖壓件如車(chē)身側(cè)圍框架、后部下車(chē)體、后部槽型梁等的生產(chǎn)。

6）冷軋各向同性鋼（IS鋼）：IS鋼一般為低碳鋼，主要通過(guò)Mn和P固溶強(qiáng)化。有好的成形性和抗時(shí)效性，適于制造汽車(chē)外板。

7）烘烤硬化鋼（BH鋼）：烘烤后易發(fā)生時(shí)效，屈服強(qiáng)度上升，有利于抗凹陷性。主要用于各車(chē)身覆蓋件、外板等。

8）高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA鋼）：其屬于低合金鋼，主要用于強(qiáng)度和防撞性能需求較高的部件，其缺點(diǎn)就是成形度不高。可用于A柱內(nèi)板、車(chē)門(mén)檻加強(qiáng)板、前側(cè)圍內(nèi)側(cè)框架、B柱內(nèi)板、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器懸置支架等。如圖3所示。

圖3　不同強(qiáng)度的鋼板在車(chē)身上的分布

2.1.2鋁合金在車(chē)身上的應(yīng)用［3］

鋁合金比強(qiáng)度高，雖然其材料特性上彈性模量低，但生產(chǎn)工藝上均有很好的擠壓性，可以生產(chǎn)出截面較為復(fù)雜的構(gòu)件，從結(jié)構(gòu)上來(lái)彌補(bǔ)零部件的剛度；此外，鋁合金的吸能性優(yōu)越，碰撞安全性具有其他材料不可比擬的優(yōu)勢(shì)。鋁合金密度僅為鋼材的1/3，對(duì)于車(chē)身的輕量化效果明顯，但受縛于汽車(chē)車(chē)身成本及工藝原因，鋁合金材料在汽車(chē)普通車(chē)身材料的應(yīng)用中并未廣泛的普及，它僅作為中高級(jí)以上車(chē)型的標(biāo)簽。中低等級(jí)車(chē)型仍采用全鋼質(zhì)車(chē)身，鋁合金的使用比例極低；中高等級(jí)逐步開(kāi)始增加使用量，主要用于車(chē)身發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車(chē)頂、車(chē)門(mén)板、翼子板等部位，而高等級(jí)及豪華車(chē)開(kāi)始大量使用鋁合金材料以達(dá)到降低車(chē)身重量目的，鋁合金被廣泛應(yīng)用于車(chē)身骨架中或直接應(yīng)用全鋁車(chē)身，如新奧迪A8第二代鋁合金ASF車(chē)身，其白車(chē)身鋁合金含量就高達(dá)93%.圖4為各高級(jí)車(chē)型的鋁合金用量及輕量化效果比較：

圖4　中高級(jí)車(chē)型鋁合金用量列舉及輕量化效果

2.1.3工程塑料及復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用［4］

工程塑料輕量化的優(yōu)勢(shì)：

（1）同等強(qiáng)度100 kg塑料可替代其他材料200-300 kg，顯著減少車(chē)身重量，提高有效載荷；

（2）具備優(yōu)越的柔韌性、耐磨性、避震性，同等質(zhì)量的金屬的抗沖擊性明顯遜色于塑料；

（3）成型性好，生產(chǎn)效率高，單位體積的塑料生產(chǎn)成本僅為有色金屬的1/10，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)明顯；

（4）具備可回收利用性，且每100 km節(jié)油在0.5 L以上；

（5）具備耐腐蝕性，例如常見(jiàn)的酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)。

工程塑料在汽車(chē)上的使用日益廣泛，國(guó)外有機(jī)構(gòu)調(diào)查顯示，目前發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車(chē)塑料用量平均占汽車(chē)總重的10%～20%，工程塑料的使用已經(jīng)不再局限于內(nèi)、外裝飾件、車(chē)身覆蓋件，由于高分子材料科學(xué)的迅猛發(fā)展，塑料件已向車(chē)身結(jié)構(gòu)件方向發(fā)展，像前后防撞梁、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、行李箱蓋、部分頂蓋、翼子板以及某些車(chē)身骨架構(gòu)件等。最近較為熱門(mén)的SUV車(chē)型后防撞梁就使用的GMT材料。

2.2基于先進(jìn)制造工藝技術(shù)的輕量化［5］

車(chē)身制造從企業(yè)批量化生產(chǎn)的技術(shù)角度出發(fā)，選擇材料需要考慮成型性、連接性以及加工成本幾個(gè)因素。各種新的輕質(zhì)材料的應(yīng)用都存在著不同于當(dāng)前普通鋼板的成型工藝問(wèn)題，新材料的應(yīng)用過(guò)程中也帶來(lái)了很多新的成型技術(shù)，例如激光焊接、液壓成型、半固態(tài)金屬加工、注射成型和噴射成型技術(shù)。新技術(shù)的應(yīng)用必將進(jìn)一步提升車(chē)身輕量化技術(shù)邁向新臺(tái)階。

2.2.1變截面薄板及其在車(chē)身制造中的應(yīng)用

變截面薄板技術(shù)的應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)等厚板，其在車(chē)身的輕量化、承載結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性的方面效果十分顯著，所得到的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也安全性也有所提高。現(xiàn)今流行的，用于車(chē)身制造的變截面薄板技術(shù)可分為兩種：一種是激光拼焊板（TWB），另一種是通過(guò)柔性連續(xù)軋制生產(chǎn)工藝得到的變截面板（TRB）。

（1）TWB生產(chǎn)工藝在車(chē)身輕量化中的應(yīng)用

激光拼焊板是將幾塊不同材料、不等厚度、不同表面處理的鋼板焊接成一塊整體板，可以達(dá)到零部件不同部位具備不同性能的要求，也可以把同材質(zhì)、等厚度的鋼板焊接到一起再進(jìn)行沖壓，這樣有助于提高材料利用率。激光拼焊技術(shù)較之傳統(tǒng)焊接技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)：1）減輕零件重量從而降低材料損耗、物流成本、整車(chē)制造和裝配成本；2）減少零部件數(shù)量，降低模具成本、工夾具成本、沖壓成本；3）提高零部件性能，改善抗疲勞性能、增強(qiáng)抗沖擊性能、增強(qiáng)整車(chē)防撞性能；4）減少搭接，減少焊縫材料搭接提高焊縫強(qiáng)度、改善焊縫成形性能、增強(qiáng)焊縫的抗腐蝕性能。

圖5及表1為某車(chē)型側(cè)圍激光拼焊整體成型與原分塊沖壓成型的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

圖5　激光拼焊整體成型與分塊沖壓成型示意圖

表1　激光拼焊整體成型與分塊沖壓成型比較

據(jù)統(tǒng)計(jì)該車(chē)型在采用激光拼焊板材后，零件重量減輕24%，零件數(shù)量減少19%，焊點(diǎn)下降49%，生產(chǎn)時(shí)間縮短21%。圖6為該車(chē)型的激光拼焊應(yīng)用范圍示意圖，具有一定的典型性。

圖6　例舉可以實(shí)行拼焊的汽車(chē)零部件

（2）TRB生產(chǎn)工藝在車(chē)身輕量化中的應(yīng)用

TRB是不同于傳統(tǒng)的軋制工藝的一種新的柔性軋制技術(shù)，可以生產(chǎn)出連續(xù)變截面薄板。這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)計(jì)算機(jī)在柔性軋制過(guò)程對(duì)軋機(jī)的實(shí)時(shí)控制，連續(xù)地調(diào)整軋輥的間距，將等厚度板軋制成TRB板。這一新技術(shù)出現(xiàn)，使得車(chē)身設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)車(chē)身時(shí)，可根據(jù)車(chē)身各零部件的實(shí)際受力及變形情況，去選擇更加有利的板料型面。在現(xiàn)今的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，可依靠成熟的計(jì)算輔助制造軟件CAD/CAM/CAE，通過(guò)面向制造的設(shè)計(jì)（DFM）、面向裝配的設(shè)計(jì)（DFA）等手段去優(yōu)化設(shè)計(jì)。

TRB工藝的出現(xiàn)滿足了設(shè)計(jì)者選擇更有利板料型面的需求。例如，設(shè)計(jì)師在運(yùn)用有限元分析技術(shù)判斷出車(chē)身某零件在沖壓過(guò)程中因材料流動(dòng)性較大可能出現(xiàn)拉裂情況，那么，設(shè)計(jì)師就可以在設(shè)計(jì)階段為該部件材料流動(dòng)性較大的部位預(yù)先分配合理的板料厚度，進(jìn)而可有效抑制零件廢品的產(chǎn)生。圖7為T(mén)RB在汽車(chē)車(chē)身上的應(yīng)用示例。

圖7　BMW上的TRB工藝的應(yīng)用

（3）TWB與TRB的比較

輕量化效果比較。TWB和TRB工藝的應(yīng)用使得車(chē)身輕量化得以很大程度的提升。根據(jù)工程力學(xué)理論分析，具有同樣的剛度的TWB、TRB、普通等厚板三者輕量化程度比較，TRB最優(yōu)秀，TWB其次，等厚板效果最差。

機(jī)械性能和應(yīng)用效果。由于TWB工藝存在厚度突變以及焊縫的影響，以及焊接添加材料的差異性，使得TWB板在沿焊接垂直方向上的硬度必然會(huì)發(fā)生階躍式的突變。在后續(xù)成型加工中會(huì)產(chǎn)生很多不利的影響。其次，TWB板的焊縫涂裝手段無(wú)法掩蓋，在外觀上相當(dāng)明顯，因而TWB板并不適宜用作車(chē)身外覆蓋件的材料，通常情況只用做內(nèi)覆蓋件或結(jié)構(gòu)件的材料。與之不同，TRB板的機(jī)械性能就更為良好，其軋制方向上的硬度變化連續(xù)且平緩，并不像TWB板那樣具有突變性，因此相對(duì)之下具有優(yōu)良的成型性能。另外，TRB板所生產(chǎn)的零部件厚度是連續(xù)變化的，可滿足各部位的承載要求；與等厚板一樣，TRB板材的表面是連續(xù)、光滑的，因而它非常適合用作車(chē)身外覆蓋件的材料。

工藝復(fù)雜程度。TWB工藝具有很大的靈活性，可以通過(guò)激光焊接的方式進(jìn)行任意板厚的拼接。同時(shí)也正因?yàn)椴坏群穸劝宀牡膶?duì)接，焊接焊縫處存在材料厚度的突變。另外，焊縫及其鄰近區(qū)域會(huì)產(chǎn)生局部硬化，我們通常還需要一道退火的熱處理工藝來(lái)消除硬化效應(yīng)，這就增加了工藝的復(fù)雜性。TRB是靠柔性軋制工藝，生產(chǎn)出連續(xù)變截面的板材，因此不存在硬度階躍變化、焊縫區(qū)域硬化等問(wèn)題。TRB由于受工藝及軋制設(shè)備的限制厚度變化的方向只能發(fā)生在原始板材的軋制方向。另外，目前的柔性軋制工藝只能是同一板材截面變化即無(wú)法將不同板材軋制形成變截面板料，這一點(diǎn)不比TWB工藝的“任意板料拼接”更具優(yōu)勢(shì)。

從以上的對(duì)比分析，TWB和TRB各自具有自己的優(yōu)勢(shì)，兩者都存在不足的地方。取長(zhǎng)補(bǔ)短，業(yè)內(nèi)有人提出一種似乎更好的解決方案：把兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，即TWB與TRB聯(lián)合應(yīng)用，生產(chǎn)出更加靈活的“任意拼接板”，從而得到一種更加合適的車(chē)身輕量化材料。如圖8所示。

圖8　TWB、TRB、等厚板的比較

2.2.2熱沖壓成型工藝的應(yīng)用

熱沖壓成形技術(shù)：將初始強(qiáng)度為500～600 MPa鋼板加熱至奧氏體形態(tài)，在此狀態(tài)下進(jìn)行沖壓，與同時(shí)以20～300℃/s的速度快速冷卻進(jìn)行淬火處理，并保壓一段時(shí)間以保證淬透，獲得具有均勻馬氏體組織的高強(qiáng)鋼構(gòu)件的成形方式。目前熱成形用鋼有4種：Mn-B系列，Mn-Mo-B系列，Mn-Cr-B系列，Mn-W-Ti-B系列（B鋼的應(yīng)用主要是為了提高鋼板的淬透性）。

熱沖壓成形的優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)生超高強(qiáng)度的零部件；減輕車(chē)身重量；能提高車(chē)身安全性、舒適性；改善了沖壓成形性；另外顯著提高了零部件尺寸精度；以及改善焊接性、增強(qiáng)零件表面硬度、抗凹性及耐腐蝕性；同時(shí)還降低了沖壓機(jī)床壓力的要求。

熱成形鋼板主要應(yīng)用于前、后防撞梁以及A柱、B柱等需要高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件的重點(diǎn)部位，在正面或側(cè)面發(fā)生撞擊時(shí)，形成“安全籠”有效減少駕駛艙變形，減輕外部碰撞成員的傷害。

2.2.3輕質(zhì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的連接工藝

汽車(chē)車(chē)身制造過(guò)程中，目前行業(yè)普遍采用的連接工藝主要有：熱裝配、機(jī)械裝配和粘接三大類(lèi)。輕質(zhì)材料常見(jiàn)的連接工藝主要是：點(diǎn)焊、激光焊、膠接、鉚接等技術(shù)。而電焊屬于傳統(tǒng)工藝范疇，激光焊目前主要應(yīng)用于復(fù)合板、非等厚板的拼焊，膠接、鉚接工藝主要用于一些特殊連接件上。

2.3基于設(shè)計(jì)的輕量化技術(shù)的應(yīng)用

2.3.1汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)可分為：（1）非承載式車(chē)身：剛性好、安全系數(shù)高，但不利于輕量化，空間利用率低，制造、裝配要求高；（2）承載式車(chē)身：輕量化、低成本、空間利用率高、利于批量化生產(chǎn)，但剛性、承載能力較弱；（3）半承載式車(chē)身：其特點(diǎn)是車(chē)身與車(chē)架用螺釘連接、鉚接或焊接等方法剛性地連接，介于前面兩者之間的結(jié)構(gòu)形式。非承載式車(chē)身主要應(yīng)用于越野車(chē)及載貨要求較高的商用車(chē)。而承載式車(chē)身的輕量化及可空間利用率高的特點(diǎn)，被現(xiàn)代轎車(chē)所廣泛使用。因此我們重點(diǎn)討論承載式車(chē)身的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

輕量化設(shè)計(jì)和碰撞安全性是分不開(kāi)的，避開(kāi)車(chē)身安全去談?shì)p量化設(shè)計(jì)將沒(méi)有任何意義，車(chē)身的安全是輕量化設(shè)計(jì)的前提。車(chē)身的剛度分配是碰撞安全性的決定因素。在設(shè)計(jì)安全車(chē)身時(shí)，前后兩端的剛度應(yīng)低于中間乘坐艙的剛度，這樣的設(shè)計(jì)有利于吸能。輕微碰撞時(shí)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)及其碰撞變形零部件能緩和沖擊、吸收能量，降低損失。然而在發(fā)生重大事故時(shí)，設(shè)計(jì)要求乘員艙變形應(yīng)盡可能小，給乘客保留有足夠的安全生存空間。乘坐艙以外的部件，比如車(chē)身的前后艙，應(yīng)盡量參與變形同時(shí)吸收和衰減沖擊能量。如圖9所示，車(chē)身結(jié)構(gòu)的每個(gè)部分所扮演的角色不盡相同。前后為饋縮區(qū)，在碰撞過(guò)程中起吸能緩沖作用，該部分可應(yīng)用普通高強(qiáng)度鋼板或者BH鋼；中間為安全籠設(shè)計(jì)，需要較高的剛度盡可能的降低變形量，形成安全空間，該部位一般應(yīng)用超高強(qiáng)度鋼板以達(dá)到剛度要求，同時(shí)降低車(chē)身重量，如使用M鋼、B鋼和熱成形鋼?！皩⒑线m的材料應(yīng)用于合適的部位”是輕量化設(shè)計(jì)的精髓。

圖9　安全車(chē)身結(jié)構(gòu)

在對(duì)車(chē)身實(shí)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和布局時(shí)候，需要協(xié)調(diào)汽車(chē)各總成結(jié)構(gòu)之間的配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)零部件的精簡(jiǎn)、整體化、輕量化。在此過(guò)程使用計(jì)算技術(shù)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)：（1）使用輕質(zhì)材料的零部件時(shí)，可借助計(jì)算機(jī)CAE技術(shù)實(shí)現(xiàn)零件的布局干涉分析和運(yùn)動(dòng)干涉分析、利用有限元法對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使得所應(yīng)用的輕量化材料既能達(dá)到車(chē)身輕量化的同時(shí)又能滿足車(chē)身設(shè)計(jì)的各項(xiàng)需求。（2）使用CAD技術(shù)，可以快捷便利地實(shí)現(xiàn)零部件實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和總體布局設(shè)計(jì)，這包括對(duì)各零部件的形狀、結(jié)構(gòu)、板材厚度的變化、總體布置方案進(jìn)行分析。

2.3.2零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在車(chē)身零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通常采用的優(yōu)化方法有：（1）拓?fù)鋬?yōu)化：在預(yù)定的設(shè)計(jì)區(qū)域，給定零部件結(jié)構(gòu)內(nèi)選擇最優(yōu)化的材料分布?，F(xiàn)今廣泛應(yīng)用的連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化方法有:變密度法、變厚度法及均勻化方法；（2）形貌優(yōu)化：不改變材料特性，不增加零件整體料厚的情況下，解決零部件本身局部剛度或模態(tài)問(wèn)題的方法。例如對(duì)加強(qiáng)筋的布置形式、方向以及位置深度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，只針對(duì)對(duì)零件局部形貌進(jìn)行優(yōu)化，零件本身結(jié)構(gòu)、材料特性并不改變；（3）形狀和尺寸優(yōu)化：受仿生學(xué)的啟發(fā)，這種方法采用一種建立在生物學(xué)自然規(guī)律基礎(chǔ)上的數(shù)值計(jì)算方法，它是一種基于經(jīng)驗(yàn)去模仿自然界生物體形態(tài)，利用有限元法研究自然界生物體增長(zhǎng)載體（如骨骼、樹(shù)木等）的力學(xué)特性。由此達(dá)到輕量化的前提下避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的效果：在承受高載荷的部位增加材料用量，減少承受低載荷部位的材料用量，使得零件應(yīng)力均勻分布避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，消除零件材料冗余或不足的情況從而達(dá)到材料“物盡其用”；（4）減重孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)：采用減重孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理去除不必要的材料，從而達(dá)到零件輕量化效果。

3　結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)著日益緊迫的新能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，汽車(chē)的輕量化的要求越來(lái)越迫切，輕量化技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。在各大汽車(chē)企業(yè)中，新的輕量化技術(shù)不斷的涌現(xiàn)并得以應(yīng)用。本文主要闡述了某汽車(chē)企業(yè)所推廣應(yīng)用的輕量化技術(shù)：兼顧成本優(yōu)勢(shì)的輕量化材料選擇，及相應(yīng)新輕量化工藝運(yùn)用，并在最初設(shè)計(jì)狀態(tài)下注重優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)、各零部件輕量化設(shè)計(jì)。文章對(duì)于輕量化技術(shù)的討論可為其他汽車(chē)企業(yè)選擇與之相適應(yīng)的車(chē)身輕量化技術(shù)提供參考，同時(shí)對(duì)企業(yè)輕量化技術(shù)推進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

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Application and Development Trend of Lightweight Technology forVehicle Body

YANG Huai-gao，SHEN Wei
（SAIC GM Wuling Automobile Limited by Share Ltd，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Abstract：As an effective energy saving means，auto lightweight technology has become one of the important research topics in the development of the automobile industry，also a powerful weapon to the cmpetitive enterprises.This paper mainly introduces the current mainstream of advanced lightweight technology，which mainly analyzes the application of lightweight technology in the enterprise，from the three aspects of light material，manufacturing process and structure design，and has certain guiding significance for the enterprises to choose the suitable light weight technology.

Key words：lightweight；high strength steel；laser welding

中圖分類(lèi)號(hào)：TG156

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）03-0084-06

收稿日期：2015-12-08

作者簡(jiǎn)介：楊懷高（1987-），男，廣西貴港人，本科，工程師，研究方向：整車(chē)零部件質(zhì)量；沈偉（1984-），男，湖北荊州人，在職研究生，工程師，研究方向：整車(chē)零部件質(zhì)量。