劉鋒

摘 要：隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車行業(yè)也提出了新的要求？如何在保證質(zhì)量的前提下做到節(jié)能減排成為了汽車領(lǐng)域里的新挑戰(zhàn)。很快，新能源汽車誕生，通過采用更為科學(xué)的能源與燃油系統(tǒng)，極大程度上降低了對(duì)環(huán)境的污染，被更多的人民群眾所關(guān)注。新能源汽車的車身設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的汽車相比差別極大，因此設(shè)計(jì)過程中，需要高度重視車身的輕量化設(shè)計(jì)。本文通過對(duì)新能源汽車車身輕量化的設(shè)計(jì)理念深入探究，提升大家對(duì)汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的進(jìn)一步了解。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 車身輕量化 設(shè)計(jì)理念

1 引言

隨著人們的環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，日常的衣食住行方面愈發(fā)注重使用環(huán)保節(jié)能的產(chǎn)品。同時(shí)，我國(guó)提倡綠色發(fā)展，為順應(yīng)時(shí)代潮流，汽車行業(yè)也是進(jìn)行了很大的改革，對(duì)環(huán)保節(jié)能的理念更為重視。我們都知道，世界各個(gè)國(guó)家的常規(guī)能源都是有限的，因此資源形勢(shì)問題變得愈發(fā)嚴(yán)峻，新能源兼具環(huán)境保護(hù)和降低耗能的特性使得它成為汽車行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向?？梢哉f，新能源汽車的投入與推廣，將大幅度推動(dòng)汽車行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。但是與此相對(duì)的，新能源汽車在發(fā)展過程中也遇到了很多的難題和障礙，汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)就是問題之一，能否有效解決這一難題，將對(duì)我國(guó)汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展影響深遠(yuǎn)。

2 新能源汽車的車身輕量化設(shè)計(jì)理念從何而來

早在上世紀(jì)50年代，歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車生產(chǎn)商就開始了針對(duì)汽車車身輕量化方面的研究，并取得了很大的成果。例如，我們都知道的特斯拉電動(dòng)汽車，其整體車身95%以上采用的都是鋁材，鋁材由于密度較小，具有很強(qiáng)的防腐蝕性和高壽命，即使惡劣的環(huán)境也能很好的適應(yīng)，因此大大提升了汽車的整體續(xù)航能力。我國(guó)對(duì)新能源汽車的研究雖然晚了一步，但是我們國(guó)內(nèi)的汽車生產(chǎn)商也在努力將新能源汽車推入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。眾所周知，新能源汽車在環(huán)境保護(hù)、節(jié)約資源方面有很大的優(yōu)勢(shì)，可以說是我國(guó)汽車行業(yè)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要基石，有極其重要的戰(zhàn)略意義和商業(yè)價(jià)值。然而，任何事情都不是一蹴而就的，新能源汽車的研發(fā)過程也是極為坎坷，伴隨著各種各樣的問題，嚴(yán)重影響了研發(fā)進(jìn)度，阻礙汽車行業(yè)的發(fā)展。其中一個(gè)就是難題就是新能源汽車采用的電池能量質(zhì)量比不高，導(dǎo)致新能源汽車的能量消耗過大，無法達(dá)到理想的續(xù)航里程[1]。在新能源汽車的設(shè)計(jì)中，以電池為主的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，約占總車質(zhì)量的30%到40%，同時(shí)由于其采用的能源與燃油驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的大不相同，因此無法像傳統(tǒng)的汽車那樣依靠燃油補(bǔ)充增加續(xù)航里程。鑒于現(xiàn)階段的電池技術(shù)還不能滿足新能源汽車的發(fā)展需要，因此，為了更好的保障新能源汽車的續(xù)航能力，在重視新能源汽車電氣化的同時(shí)也不能忽略汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)。因此，為了更好的推動(dòng)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，對(duì)于車身的輕量化設(shè)計(jì)是我們必須要走也一定要走到底的一條道路。

什么是汽車車身輕量化設(shè)計(jì)？通俗來講就是將新能源汽車的整體質(zhì)量與整體尺寸都盡可能的縮小，使新能源汽車在滿足日常載人載物需要的同時(shí)保持自身耗能在可控范圍內(nèi)，延長(zhǎng)續(xù)航距離。較小的質(zhì)量與尺寸就要求更輕、更小的汽車車身結(jié)構(gòu)，由于新能源汽車采用的是以電池為主的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的汽車差距較大，因此對(duì)新能源汽車的車身輕量化設(shè)計(jì)無法提供很好的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)[2]。為了更好的解決這一難題，設(shè)計(jì)人員要積極提升專業(yè)水平，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，參考借鑒傳統(tǒng)的汽車車身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合新能源汽車的設(shè)計(jì)需求，不斷創(chuàng)新改進(jìn)研究設(shè)計(jì)，爭(zhēng)取早日攻克這一難關(guān)，更好的實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

3 新能源汽車車身輕量化設(shè)計(jì)理念解析

對(duì)于新能汽車汽車輕量化設(shè)計(jì)，如何才能快速的取得科研成果呢？合理的設(shè)計(jì)理念、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改革、有限元理念分析及新型材料的運(yùn)用都是影響其發(fā)展的核心因素，下文們將對(duì)以上四種因素進(jìn)行詳盡剖析。

3.1 設(shè)計(jì)合理理念

在整個(gè)新能源汽車的車身輕量化設(shè)計(jì)中，設(shè)立理念至關(guān)重要，設(shè)計(jì)理念是設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)活動(dòng)中對(duì)產(chǎn)品的的主導(dǎo)思想，可以說是精髓所在。因此，在新能源汽車的車身輕量化設(shè)計(jì)中，合理的設(shè)計(jì)理念是最基本也是最關(guān)鍵的核心所在。設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性有助于汽車車身結(jié)構(gòu)達(dá)到最大限度的優(yōu)化，而在優(yōu)化輕量化車身時(shí)，設(shè)計(jì)人員首先要考慮新能源汽車的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，其次要格外重視模態(tài)分析和數(shù)值模態(tài)分析。傳統(tǒng)意義上的車身輕量化設(shè)計(jì)是指在保證汽車的碰撞安全性、動(dòng)靜態(tài)剛性等性能下，通過降低車身質(zhì)量來降低整車質(zhì)量，從而達(dá)到降低能源消耗，提高汽車性能的目的。新能源汽車的車身輕量化設(shè)計(jì)概念主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)，其一，在概念設(shè)計(jì)階段對(duì)車身機(jī)構(gòu)或零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證其滿足各項(xiàng)性能的前提下，降低其車身質(zhì)量;其二，車身采用低密度的材料，如鈦合金、復(fù)合材料等，通過對(duì)輕質(zhì)材料的應(yīng)用，提升新能源汽車的續(xù)航里程。設(shè)計(jì)人員也要做到加強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)的溝通交流，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享，進(jìn)而最大限度的保障設(shè)計(jì)的科學(xué)和可行性?？偠灾谛履茉雌嚨陌l(fā)展過程中，合理的設(shè)計(jì)理念是其中的重要組成部分。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念

我們經(jīng)常會(huì)在很多的場(chǎng)合或者文件中聽到或看到過結(jié)構(gòu)優(yōu)化這個(gè)詞語?？梢哉f，不管是經(jīng)濟(jì)發(fā)展抑或是企業(yè)發(fā)展，再或者是建筑工程發(fā)展，要想實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是必然要走的一條道路。因此，為了更好的促進(jìn)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是其中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在給定約束條件下，按某種目標(biāo)（如重量最輕、成本最低、剛度最大等）求出最好的最科學(xué)設(shè)計(jì)的理論方法。新能源汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)采用的便是這一設(shè)計(jì)理念。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念要求在設(shè)計(jì)方案滿足最基本的基礎(chǔ)和原則的前提下，從可行方案中選擇最符合設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)結(jié)果[3]。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)將原有的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)模型，按照實(shí)際需要取舍其中的設(shè)計(jì)變量，更好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

3.3 有限元理念分析

什么是有效元？有效元分析就是用較簡(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜問題然后求解，把一個(gè)完整的這整體的結(jié)構(gòu)分解為若干的子單元，把這些若干的子單元進(jìn)行相連接，然后將這些連接的單元整體組合成與原結(jié)構(gòu)相仿的組織。在新能源汽車的車身輕量化設(shè)計(jì)中，通過合理的利用有限元理念，把車身機(jī)構(gòu)或零部件，例如車門這樣的整體模型轉(zhuǎn)化為若干的子單元的模式。運(yùn)用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化一般分為三種形式：結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)、尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)有更多的設(shè)計(jì)自由度，也能夠獲得更大的設(shè)計(jì)空間，與此同時(shí)，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)隨著日漸成熟也衍生出了均勻化方法、水平集法及變密度法等新的形式[4]。形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)，是在已有薄板上尋找新的凸臺(tái)分布，提高局部剛度，例如，在設(shè)計(jì)新能源汽車車身的金屬零件時(shí)，運(yùn)用形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高局部剛度，如此便可以減輕零件的質(zhì)量，達(dá)到輕量化效果。形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)總結(jié)來說就是，通過尋找新的凸臺(tái)分布達(dá)到減少質(zhì)量的目的，同時(shí)增加局部剛度。尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要通過改變一維梁?jiǎn)卧慕孛娉叽绾投S板單元的厚度來優(yōu)化結(jié)構(gòu)的截面尺寸，從而滿足汽車的性能。在新能源汽車尺寸優(yōu)化過程中注意結(jié)構(gòu)件的形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是不變的，在保證汽車的安全性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)車身輕量化的目的。

3.4 創(chuàng)新材料理念

新能源汽車車身輕量化的設(shè)計(jì)發(fā)展，離不開新型材料的使用。在我國(guó)，用來減輕汽車重量的新型材料分為兩大類，一類是強(qiáng)度高的材質(zhì)，另一類是質(zhì)量較輕的材質(zhì)[5]。強(qiáng)度高的材質(zhì)，比如高強(qiáng)度不銹鋼、結(jié)構(gòu)性鋼、粉末冶金材料等，質(zhì)量較輕的材質(zhì)，比如鋁合金、鎂合金、鈦合金等。在實(shí)際應(yīng)用中，例如，鎂合金可以做鋼鐵材料的替代，具有突出的震性和抗凹性;高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼是汽車輕量化而又保證安全的基礎(chǔ)材料;塑料復(fù)合材料密度較小，具有良好的抗腐蝕性，汽車零部件使用塑料復(fù)合材料加工簡(jiǎn)單，擁有良好的的耐沖擊性能和絕熱性能等。總結(jié)看來，在新能源汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)中充分利用好新型材料，將大大減少汽車的能源消耗，同時(shí)有效的減少對(duì)環(huán)境的污染，在一定程度上保護(hù)了環(huán)境。

4 結(jié)束語

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)提出了可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)發(fā)展觀。新能源汽車的普及拓展，對(duì)于保護(hù)我國(guó)的社會(huì)環(huán)境有重要的戰(zhàn)略意義。在新能源汽車的車身設(shè)計(jì)中，車身輕量化設(shè)計(jì)是汽車節(jié)能減排的重要技術(shù)途徑，如何通過汽車車身輕量化技術(shù)的開發(fā)實(shí)踐提升新能源汽車的發(fā)展，是我們當(dāng)下要思考的問題。在新能源汽車輕量化的設(shè)計(jì)中，以科學(xué)先進(jìn)的理論為指導(dǎo)，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行改進(jìn)，有助于實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)對(duì)于推動(dòng)新能源汽車在我國(guó)的普及使用有積極深遠(yuǎn)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡越鵬[1].汽車車身輕量化設(shè)計(jì)理念探究[J].大眾汽車，2019，25（8）.

[2]杜軼姝.新能源汽車車身輕量化設(shè)計(jì)理念探究[J].藝術(shù)科技，2017，30（10）.

[3]李天逸. 輕量化汽車的造型設(shè)計(jì)研究[J].北京化工大學(xué)，2018.

[4]王帥，孫洋.新能源汽車輕量化技術(shù)路線和應(yīng)用策略[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（10）：46-48+65.

[5]袁博.車身輕量化技術(shù)對(duì)新能源汽車性能的提升研究[J].汽車文摘，2019（05）：39-42.