武守輝 鄭輝 焦鳳茂

摘 要：21世紀(jì)，汽車(chē)呈現(xiàn)出系統(tǒng)化、模塊化、輕量化、電子化和個(gè)性化的總體發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，一次性能源的急劇減少和環(huán)境污染是全球兩大主要問(wèn)題，汽車(chē)車(chē)身輕量化的重要性日益凸顯。低能耗、低排放、高性能的汽車(chē)是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求，車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效方法。車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)可以減少原材料的使用量，降低生產(chǎn)成本和油耗，減少尾氣排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。因此，本文從車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、制造工藝等方面研究了如何實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的輕量化。

關(guān)鍵詞：輕量化;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);材料選擇;制造工藝

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）20-0051-03

Abstract：In the 21st century， automobiles present a general development trend of systematization， modularization， lightweight， electronic and personalization. At present， the sharp reduction of primary energy and environmental pollution are the two major problems in the world， and the importance of lightweight vehicle bodies is becoming increasingly prominent. Automobiles with low energy consumption， low emissions， and high performance are inevitable requirements for social sustainable development， lightweight body structure is an effective way to achieve this goal. Lightweight body design can reduce the use of raw materials， reduce production costs and fuel consumption， reduce exhaust emissions， and achieve energy conservation and environmental protection. Therefore， this paper studied how to realize the lightweighting of automobile body structure from the aspects of body structure design， material selection， manufacturing process and so on.

Keywords： iightweight;structural design;material selection;manufacturing process

汽車(chē)車(chē)身輕量化是世界汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的重要研究課題[1-3]，是全球汽車(chē)廠商的共同選擇，是我國(guó)應(yīng)對(duì)能源安全、新能源汽車(chē)發(fā)展的必然選擇，也是汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然之路，對(duì)于提升汽車(chē)產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力，提高汽車(chē)企業(yè)的創(chuàng)新能力有重要意義。然而，汽車(chē)輕量化理論和技術(shù)的實(shí)施涉及汽車(chē)安全品質(zhì)、材料工藝、回收再利用等多學(xué)科多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題[4-6]，特別是新能源汽車(chē)結(jié)構(gòu)特殊，人們需要掌握結(jié)構(gòu)輕量化的基本原理，遵循科學(xué)的設(shè)計(jì)方法和開(kāi)發(fā)流程，并且把輕量化開(kāi)發(fā)和研究的理念貫穿始終。主要就是運(yùn)用各種技術(shù)手段，在保證汽車(chē)各項(xiàng)性能要求的前提下，降低整個(gè)車(chē)身及零部件總成的質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)質(zhì)量降低的目的[7-9]。

1 國(guó)內(nèi)外車(chē)身輕量化研究的發(fā)展

1.1 國(guó)外車(chē)身輕量化的發(fā)展

國(guó)外超輕鋼技術(shù)發(fā)展比較迅猛，由于技術(shù)水平和汽車(chē)輕質(zhì)材料價(jià)格問(wèn)題，鋼材還將在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法被替代。20世紀(jì)90年代，世界鋼鐵協(xié)會(huì)成立了超輕鋼技術(shù)項(xiàng)目組，重新設(shè)計(jì)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)，提升鋼材質(zhì)量，減輕相同性能下鋼材的使用量，達(dá)到車(chē)身輕量化的目標(biāo)。該項(xiàng)目取得了矚目的成績(jī)——車(chē)身減重約25%。但是，其車(chē)身一階模態(tài)頻率、車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度和車(chē)身彎曲剛度都比原來(lái)有很大程度的提高。汽車(chē)生產(chǎn)成本比原來(lái)降低15%。

世界鋼鐵協(xié)會(huì)進(jìn)行汽車(chē)車(chē)身輕量化的主要手段包括：利用高強(qiáng)度的板材替代傳統(tǒng)板材;利用新的生產(chǎn)工藝，如激光焊接工藝和液壓成型工藝等;使用有限元法對(duì)現(xiàn)有車(chē)身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，以保證車(chē)身的各種性能指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

碳纖維增強(qiáng)材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)量小，它擁有優(yōu)秀的耐蠕變和耐腐蝕性，成為汽車(chē)輕量化最理想的材料。雖然碳纖維增強(qiáng)材料有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是價(jià)格一直居高不下，現(xiàn)階段，碳纖維增強(qiáng)材料只用于高檔轎車(chē)或跑車(chē)上。

除了高強(qiáng)鋼和鋁合金外，鎂合金和復(fù)合材料等輕質(zhì)材料也在汽車(chē)車(chē)身中得到一定程度的應(yīng)用。鎂具有良好的加工性、抗凹性、減震性，鎂合金密度大約是鋁合金的2/3，具有良好的輕量化應(yīng)用潛力。總體來(lái)看，國(guó)際上，汽車(chē)輕量化技術(shù)已經(jīng)很成熟。

1.2 國(guó)內(nèi)車(chē)身輕量化的發(fā)展

目前，我國(guó)高強(qiáng)度鋼輕量化車(chē)身研究取得較大進(jìn)展，寶鋼已形成TP、DP、DQ、BH及CQ等商業(yè)高強(qiáng)度鋼板品種，覆蓋了目前國(guó)外主要品種的生產(chǎn)，表明國(guó)內(nèi)高強(qiáng)度鋼系列已初步形成。

我國(guó)的汽車(chē)鋁合金用量與國(guó)外相比還有較大的差距，2011年美國(guó)汽車(chē)單車(chē)的平均用鋁量達(dá)到161 kg，2012年歐洲汽車(chē)單車(chē)的平均用鋁量為145 kg。但是，我國(guó)2010年乘用車(chē)單車(chē)的平均用鋁量?jī)H相當(dāng)于北美洲2000年的水平（119 kg）。

2008年，中國(guó)汽車(chē)輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟在寧波正式成立。2016年，輕量化聯(lián)盟擁有19家成員單位、46家伙伴單位和6家觀察員單位。

從總體看，我國(guó)汽車(chē)輕量化技術(shù)發(fā)展主要面臨如下問(wèn)題：輕量化技術(shù)涉及學(xué)科研究領(lǐng)域眾多，需要應(yīng)用較多學(xué)科交叉融合所形成的綜合性、系統(tǒng)性知識(shí)體系，但是我國(guó)研究機(jī)構(gòu)目前只注重單個(gè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，很少有各技術(shù)的交叉;車(chē)輛輕量化技術(shù)涉及許多常用技術(shù)和尖端技術(shù)，其核心技術(shù)的突破不可能由單一企業(yè)或研發(fā)機(jī)構(gòu)完成，國(guó)家必須有戰(zhàn)略性、前瞻性、協(xié)調(diào)性的部署，而我國(guó)缺乏此類(lèi)機(jī)構(gòu);產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不夠緊密，沒(méi)有明確分工。

由此可見(jiàn)，無(wú)論是理論方面還是實(shí)際運(yùn)用方面，中國(guó)汽車(chē)輕量化技術(shù)發(fā)展與國(guó)外相比都有很大的差距，任重而道遠(yuǎn)。

2 汽車(chē)輕量化理論與設(shè)計(jì)方法研究

汽車(chē)輕量化的問(wèn)題是在最優(yōu)化的理論基礎(chǔ)上建立的，通常所說(shuō)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是根據(jù)實(shí)際的情況和問(wèn)題，建立其優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，采取一定的最優(yōu)化方法，尋找既滿足約束條件又使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。構(gòu)成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的三要素為：設(shè)計(jì)變量（Design Variable，DV）、狀態(tài)變量（State Variable，SV）、目標(biāo)函數(shù)（the Objective Function，OBF）。具體方法如下。

在汽車(chē)結(jié)構(gòu)輕量化中，結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化是在確定結(jié)構(gòu)拓?fù)涞那疤嵯拢蒙倭康某叽鐏?lái)表示結(jié)構(gòu)的某些變化，然后建立基于這些維參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并采用優(yōu)化方法求解最優(yōu)維參數(shù)。

在尺寸優(yōu)化中，其設(shè)計(jì)變量大多數(shù)為材料參數(shù)（如說(shuō)彈性模量和密度）和尺寸參數(shù)（如橫梁橫截面的尺寸、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、彈性支承剛度、板材的厚度、兩個(gè)部件之間的連接剛度等）。

尺寸優(yōu)化是通過(guò)優(yōu)化一維梁?jiǎn)卧慕孛娉叽纭⒍S板單元厚度等，尋找目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的最好截面尺寸，滿足其相對(duì)應(yīng)的性能要求，性能優(yōu)化期間，結(jié)構(gòu)的形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化。尺寸優(yōu)化的一個(gè)重要方向是一維梁?jiǎn)卧慕孛娉叽鐑?yōu)化，從之前的結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在工業(yè)上用的各種型號(hào)鋼材，尺寸優(yōu)化已經(jīng)相對(duì)成熟，在給定結(jié)構(gòu)外形幾何、材料、單元類(lèi)型、結(jié)構(gòu)布局的情況下，以截面的尺寸為設(shè)計(jì)因變量，尋求截面尺寸的最優(yōu)，以滿足性能要求并且實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。

3 汽車(chē)車(chē)身輕量化發(fā)展趨勢(shì)

3.1 利用高強(qiáng)度板材來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)板材

3.1.1 鋁合金。鋁合金在軸向載荷作用下會(huì)產(chǎn)生漸進(jìn)疊縮穩(wěn)態(tài)變形，比吸能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低碳鋼結(jié)構(gòu)。鋁合金作為緩沖吸能元件，在碰撞安全性方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且應(yīng)用于車(chē)身時(shí)，由于質(zhì)量降低，碰撞時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能減小，所以其在汽車(chē)上的應(yīng)用呈現(xiàn)連續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3.1.2 鎂合金。鎂合金的彈性較弱，在同等的受力情況下會(huì)發(fā)生較大的變形。所以，使用鎂合金材料時(shí)，要提高鎂合金板材的厚度或者重新設(shè)計(jì)板材結(jié)構(gòu)。

3.1.3 多孔材料。在大自然中，有很多動(dòng)物的筑巢方式值得人們學(xué)習(xí)，在向大自然的學(xué)習(xí)中，人們制造出各種各樣的用于能量吸收的輕質(zhì)多孔材料，如泡沫材料、蜂窩材料等。蜂窩材料用作吸能材料，具有明顯的方向性，用于各種夾芯板和薄壁填充管具有突出的優(yōu)勢(shì)。泡沫材料可分為開(kāi)孔泡沫材料和閉孔泡沫材料兩種。其中，開(kāi)口材料的抗壓性總體優(yōu)于閉孔材料。開(kāi)孔材料又可以分為金屬材料和非金屬材料兩種。金屬泡沫材料，尤其是泡沫鋁，密度小、變形能力大、比吸能好，具有均勻穩(wěn)定的能量吸收特性曲線，是非常理想的能量吸收材料。但是，泡沫鋁含有空隙而且強(qiáng)度較低，在受到拉、壓、扭轉(zhuǎn)時(shí)容易發(fā)生斷裂破壞，而且破壞后不容易保持完整，故而一般將泡沫鋁作為薄壁管的填充材料。非金屬泡沫材料多用作汽車(chē)內(nèi)部裝置，作為裝飾材料和承重架中間的緩沖物。

3.2 其他方法

采用新的生產(chǎn)工藝，如激光焊接工藝、液壓成形工藝等。利用有限元法對(duì)現(xiàn)有的車(chē)身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，提升車(chē)身的各種性能指標(biāo)。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新的輕型復(fù)合材料越來(lái)越多，可用作汽車(chē)車(chē)身的材料越來(lái)越豐富，計(jì)算機(jī)仿真模擬精度越來(lái)越高，在保證汽車(chē)安全性能的前提下，汽車(chē)車(chē)身質(zhì)量逐漸降低。汽車(chē)輕量化對(duì)節(jié)能減排也有著極大的促進(jìn)作用。

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