于用軍，李飛，王帥，黃小征，郭永奇

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

隨著汽車安全、燃油經(jīng)濟性及排放標準的提高，安全、節(jié)能、環(huán)保已成為汽車研發(fā)的熱點問題。汽車輕量化是指在滿足汽車的安全性能及成本限制的條件下，采用有效的設(shè)計方法，盡可能地降低汽車整備質(zhì)量，從而起到提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染的作用，因此，整車輕量化的研究對安全、節(jié)能、環(huán)保三大熱點問題的解決有著重要的意義。

汽車輕量化技術(shù)主要包括輕量化材料的應(yīng)用、先進工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化三種途徑。近年來，我國在汽車輕量化技術(shù)方面的研究取得了較大的成果，國內(nèi)汽車輕量化材料正在加速發(fā)展，車用高強度鋼、鋁合金材料在汽車的車身及底盤等零部件上得到了廣泛應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面，國內(nèi)從過去的經(jīng)驗設(shè)計過度到了應(yīng)用有限元分析軟件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析。先進成型工藝及連接技術(shù)的不斷創(chuàng)新，加強了輕量化材料的使用，有效的促進了整車輕量化的發(fā)展。雖然國內(nèi)汽車輕量化技術(shù)有了較快的發(fā)展，但與發(fā)達國家先進的輕量化技術(shù)相比，仍然存在著較大的差距。

為了促進輕量化技術(shù)的發(fā)展，研究對輕量化的技術(shù)方法及應(yīng)用現(xiàn)狀進行了概述，并提出了一條整車輕量化技術(shù)路線。

1 材料輕量化

材料輕量化指的是在滿足機械性能的前提下，將輕量化材料應(yīng)用到零部件的設(shè)計中，以達到減輕零部件重量的目的，所采用的材料主要包括高強度鋼，鋁鎂合金，工程塑料以及各種復(fù)合材料的應(yīng)用。

1.1 輕量化材料簡介

汽車用鋼主要分為低強度鋼、高強度鋼和超高強度剛。高強度鋼主要包括烘烤硬化鋼、高強度IF鋼和高強度低合金鋼。

鋁鎂合金的主要元素是鋁，再摻入少量的鎂或是其它的金屬材料來加強其硬度。鋁鎂合金具有質(zhì)量輕、密度低、散熱性較好、抗壓性較強，能充分滿足產(chǎn)品的高度集成化、輕薄化、耐撞等性能。

工程塑料具有重量輕、比強度高、剛性大、機械強度高等優(yōu)點，在輕量化設(shè)計中可替代金屬作為工程結(jié)構(gòu)材料使用。

復(fù)合材料是由纖維等增強材料及母體等2種或2種以上性質(zhì)不同的材料，通過各種工藝手段組合而成。具有質(zhì)量輕、強度高、剛度好的特點。

1.2 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對輕量化材料的研究越來越廣泛，全新奧迪 A4L車身框架在車身結(jié)構(gòu)零部件上同時使用了超高強度鋼板與鋁合金材料，其設(shè)計理念是在車身不同結(jié)構(gòu)的不同部位使用不同的材料，從而在剛性、強度，車重和成本之間取得最佳平衡。新保時捷Panamera Turbo將超高強度鋼應(yīng)用到了防撞梁的設(shè)計中，不僅大幅度提升了車輛碰撞的安全性能，同時提高了防撞梁的輕量化水平。捷豹使用了智能全鋁車身架構(gòu)，實現(xiàn)了車輛最佳的性能、能效、安全以及駕駛表現(xiàn)。全新奧迪 Q7前擋泥板、引擎蓋、行李廂蓋、行李艙、車頂均采用了鋁合金材料，僅車門就比上一代車型減輕了24kg。

2 結(jié)構(gòu)輕量化

結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計是確保汽車零部件在滿足強度和剛度等性能的條件下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可將材料、最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸應(yīng)用在汽車零部件的設(shè)計中，使每部分材料都能發(fā)揮出其最大的承載能力和吸能特性，從而實現(xiàn)整車輕量化設(shè)計的目的。汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要分為拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化，形貌優(yōu)化和形狀優(yōu)化等優(yōu)化方法。

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法簡介

拓撲優(yōu)化技術(shù)是在給定的設(shè)計空間內(nèi)找到最佳的材料分布方案，從而使零部件在滿足各種性能的條件下得到最輕的重量。該設(shè)計方法主要應(yīng)用于零部件的概念設(shè)計階段。

形狀優(yōu)化技術(shù)是一種用于詳細設(shè)計階段的技術(shù)，主要是指在滿足各工況的前提下，改變結(jié)構(gòu)的整體或者局部變形，使得結(jié)構(gòu)受力更加均勻，從而達到材料的充分利用。在零部件的輕量化設(shè)計中，可以將形狀優(yōu)化與尺寸優(yōu)化相結(jié)合，達到對零部件最大程度的輕量化設(shè)計。

圖1 拓撲優(yōu)化與形狀優(yōu)化方法

尺寸優(yōu)化是最經(jīng)典的優(yōu)化技術(shù)，一般也叫參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，可以對有限元模型的各種參數(shù)，如板間厚度，界面尺寸、材料特性、彈性元件剛度等進行優(yōu)化，根據(jù)設(shè)計階段的不同，可以分為用于詳細設(shè)計階段的尺寸優(yōu)化技術(shù)和用于概念設(shè)計階段的自由尺寸優(yōu)化技術(shù)。

形貌優(yōu)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于提高各種沖壓板件的性能，如減少變形、提高模態(tài)頻率、減少振動等，從而間接的實現(xiàn)零部件的輕量化設(shè)計。

圖2 形貌優(yōu)化方法

2.2 研究現(xiàn)狀

目前，本田公司通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對Lgend轎車的發(fā)動機罩內(nèi)板、前翼子板及后懸架等零部件進行了輕量化設(shè)計，大幅度降低了零部件質(zhì)量。清華大學(xué)范文杰等提出了一種多目標拓撲優(yōu)化研究方法，研究了以靜態(tài)多工況下剛度和動態(tài)振動頻率為目標函數(shù)車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。中通汽車將結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用到車身骨架的設(shè)計中，實現(xiàn)了車身減重16%的目標。東風(fēng)汽車將汽車控制臂及轉(zhuǎn)向節(jié)替換為鋁合金材料，并對其進行了強度分析和拓撲優(yōu)化設(shè)計，在滿足性能要求的前提下，實現(xiàn)了零件最大程度的輕量化，如圖3所示。

圖3 控制臂拓撲優(yōu)化

3 工藝輕量化

工藝輕量化是指為了實現(xiàn)輕量化材料的應(yīng)用所采用的連接及成型技術(shù)。目前應(yīng)用較為廣泛的有激光拼焊、熱沖壓成形、輕量化材料的連接技術(shù)等。輕量化工藝主要是配合輕量化設(shè)計與材料的應(yīng)用，共同構(gòu)成了輕量化的三個技術(shù)途徑。

3.1 工藝輕量化簡介

激光拼焊是采用激光能源，將若干不同屬性、不同厚度的材質(zhì)進行拼合焊接的先進工藝技術(shù)，以滿足零部件對材料性能的不同要求，實現(xiàn)用最輕的重量、最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳性能達到零部件輕量化的目的。

圖4 激光拼焊技術(shù)在車身上的應(yīng)用

熱沖壓成型技術(shù)是一種零件加工方式，先將坯料加熱至一定溫度，然后用沖壓機在相應(yīng)的模具內(nèi)進行沖壓，以得到所需外形的一種材料成型方法。通過熱沖壓成形可以得到具有超高強度剛的車身零部件，從而有效的降低車身重量；

汽車輕量化連接技術(shù)主要包括激光焊接、攪拌摩擦焊、鎖鉚技術(shù)、自鎖鉚、熱熔、自攻螺釘以及膠粘，通過先進的連接技術(shù)可以實現(xiàn)不同材料零部件的連接，從而實現(xiàn)整車輕量化。

3.2 研究現(xiàn)狀

目前，凱迪拉克ATS-L車身系統(tǒng)運用了弧形焊接與釬焊、鐳射焊接、自穿孔鉚釘?shù)榷囗椓悴考雍瞎に嚒Ｈ聤W迪A4L采用的是鋼鋁混合車身，由于鋁合金部件和鋼制部件的物理性質(zhì)不同，鋼鋁部件之間采用自沖鉚接的方式進行連接。君越使用了大量結(jié)構(gòu)膠，激光焊接、自攻螺釘?shù)裙に囘M行車身連接，實現(xiàn)了整車輕量化的設(shè)計。

4 整車輕量化技術(shù)路線

研究將重量管理與輕量化方法相結(jié)合，制定了如圖5所示的整車輕量化技術(shù)路線，由圖5可知：在整車輕量化的開發(fā)中，首先應(yīng)對開發(fā)車型的整備質(zhì)量進行目標制定，然后將整車目標質(zhì)量分解到各系統(tǒng)及零部件中，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化材料及先進工藝技術(shù)對超重零部件進行輕量化設(shè)計，在輕量化設(shè)計中，以高強度鋼技術(shù)為主，包括集成化技術(shù)、成型技術(shù)，焊接技術(shù)，檢測評價方法及性能開發(fā)，同時加大鋁合金在發(fā)動機、底盤關(guān)鍵零部件和覆蓋件上的應(yīng)用技術(shù)的研究，增加塑料零部件的應(yīng)用。

最后采用臺架試驗及整車搭載的方法對優(yōu)化后的零部件進行驗證分析。

圖5 整車輕量化技術(shù)路線

5 結(jié)論

汽車的輕量化技術(shù)主要有結(jié)構(gòu)優(yōu)化，輕量化材料使用，先進工藝技術(shù)三種途徑。結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化在汽車零部件的開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。在材料方面，以高強鋼的使用為主，同時加強了鋁合金材料及以塑代鋼的應(yīng)用。另外，熱成型、激光拼焊、材料連接技術(shù)的使用促進了整車輕量化的發(fā)展。

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