李洪光 孫譜 崔明

摘 要：隨著我國交通運輸業(yè)的發(fā)展，我國公路交通已進入高速發(fā)展階段。隨著我國交通運輸業(yè)的發(fā)展，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅速。我國主要汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時，我國汽車產(chǎn)業(yè)的競爭壓力也在顯著上升。如何提高汽車的生產(chǎn)質(zhì)量，裝配出高質(zhì)量的汽車成為汽車行業(yè)關注的焦點。目前，我國汽車工業(yè)正逐步向自動化、輕量化方向發(fā)展。輕量化材料的使用和制造技術已成為衡量汽車輕量化發(fā)展水平的一個重要指標。在我國汽車制造業(yè)的發(fā)展過程中，汽車制造工藝不斷優(yōu)化和創(chuàng)新。輕量化技術能有效降低汽車能耗，改善生態(tài)環(huán)境，達到節(jié)能減排的目的，符合我國可持續(xù)發(fā)展的理念，也是未來我國汽車制造業(yè)的主要發(fā)展趨勢。為此，本文分析了輕量化技術在汽車工程中的應用現(xiàn)狀，以加強技術推廣，充分發(fā)揮技術的應用效率。

關鍵詞：汽車工程;輕量化技術;應用現(xiàn)狀

中圖分類號：U462.2 文獻標識碼：A

0 引言

輕量化技術在汽車工程中的應用主要是運用現(xiàn)代設計手段對汽車產(chǎn)品進行優(yōu)化設計。該技術的應用通過現(xiàn)代設計理念和手段，優(yōu)化了車輛的整體設計，提高了車輛的整體性能，降低了油耗，實現(xiàn)了節(jié)能減排，提高了車輛的安全性和舒適性，這對汽車工業(yè)的長遠發(fā)展具有重要意義。在滿足車輛使用需求的基礎上，降低車身質(zhì)量，從而達到控制車輛能耗、提高運行性能、減少尾氣污染等目的。是解決溫室氣體排放問題、緩解石油資源短缺的主要途徑。

隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展，中國汽車工業(yè)的內(nèi)部競爭壓力越來越大。如何提高汽車裝配質(zhì)量已成為汽車企業(yè)關注的焦點。對于汽車工業(yè)來說，汽車裝配材料是影響汽車質(zhì)量的重要因素之一。目前，輕量化材料的使用是我國汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向之一。本文將從汽車輕量化材料的主要材料組成入手，探討輕量化材料的制造工藝。

1 輕量化技術在汽車工程中的應用前景

輕量化技術在汽車工程中的應用前景主要涉及以下內(nèi)容：汽車工程輕量化是未來汽車設計的發(fā)展趨勢，在動力傳動、節(jié)能減排等方面具有重要的應用意義。在現(xiàn)有的研發(fā)體系中，大多是單學科研究，很少實現(xiàn)跨學科的整合。輕量化技術的核心技術不能由單個學科或科研機構獨立完成，必須進行多學科的戰(zhàn)略部署和集成研究。但是，目前還沒有建立起這樣的科研機構，產(chǎn)學研結合不緊密，缺乏明確的定位和分工，研究與開發(fā)之間的聯(lián)系不充分，企業(yè)規(guī)模小，而科研開發(fā)能力薄弱，缺乏足夠的研發(fā)人員。

2 分析汽車輕量化結構技術

汽車輕量化作為一種多標準的技術性材料，其設計需要注重車身尺寸和形狀的優(yōu)化。汽車輕量化技術在創(chuàng)新車身質(zhì)量的同時，可以將材料參數(shù)和截面尺寸結合起來。加強零部件優(yōu)化，提高整車零部件的安全性和有效性。一般來說，最實用的方法是汽車外形和零部件的輕量化設計。其次，可以優(yōu)化空間結構的整體力學分布和荷載分布。在輕量化設計理念下，經(jīng)過多次迭代，材料的性能無法穩(wěn)定。拓撲優(yōu)化技術應用于汽車零部件和結構的設計。它可以減輕車身重量，改善汽車結構性能，縮短汽車生產(chǎn)周期，提高汽車質(zhì)量。一般來說，車身結構的拓撲結構是無骨架結構和空間設計。這也迎合了輕量化設計的特點。輕量化的空間可以通過減輕自身重量來改變。加強材料應用和輕量化工藝設計分析，最終提高整車設計質(zhì)量。

3 輕量化技術在汽車工程結構設計中的應用

3.1 尺寸優(yōu)化

從技術發(fā)展的角度看，最早的技術手段之一應該是優(yōu)化車輛結構和尺寸，以車輛結構和零部件尺寸為主要設計變量，如壁厚值、減重孔尺寸等，模擬不同車輛在不同工況下的行駛場景，適當調(diào)整車輛的結構規(guī)格和尺寸。實時觀察車輛的行駛狀況和部件的運行情況。結合仿真結果，確定了各結構尺寸設計的約束條件。相關設計人員應建立匹配函數(shù)優(yōu)化模型，導入具體的數(shù)學公式，準確得出位移靈敏度、應力靈敏度、固有頻率靈敏度、特征值靈敏度等計算結果，從而為車輛結構優(yōu)化設計提供準確的數(shù)據(jù)支持。例如，在調(diào)整車門結構固有頻率和剛度的基礎上，適當減輕車門結構的重量，但不會對車門結構的質(zhì)量、穩(wěn)定性和安全系數(shù)造成任何不利影響，從而更好地達到車輛輕量化設計的目的。另外，在汽車結構尺寸的輕量化設計過程中，設計者不應忽視特征值敏感性、應力敏感性和線性靜力敏感性。同時，在行駛過程中可能發(fā)生碰撞時，要注意車輛的安全。發(fā)生交通事故時，車輛與安全防護設施、其他障礙物和車輛發(fā)生碰撞。碰撞過程是一個非線性問題，設計者很難準確獲得車輛碰撞敏感度等信息。針對這些情況，相關設計人員可以選擇用近似模型設計方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有限元模型，精確計算車輛在碰撞過程中的線性載荷值，并以此作為設計數(shù)據(jù)的主要來源和依據(jù)。

3.2 拓撲優(yōu)化

在汽車結構輕量化設計過程中，拓撲優(yōu)化設計是設計者以各種材料的空間分布為主要設計對象，引入特定算法，對汽車結構進行精確計算的最佳方法和途徑。同時，設計人員應根據(jù)車輛的實際情況選擇合適的拓撲優(yōu)化方法。例如，在應用變密度拓撲優(yōu)化時，設計者應將設計變量視為反映彈性模量與材料質(zhì)量之間密切關系的變量，而不是材料本身的實際密度。基于材料插值函數(shù)，建立了各種材料的合理近似模型和微觀結構懲罰模型。該模型結構能直觀地顯示不同材料分布的中密度單元，并生成拓撲優(yōu)化結果。另外，拓撲優(yōu)化方法僅適用于中小型車輛。對于具有離散結構的大型客車模型，設計人員應采用參考結構法，對現(xiàn)有的參考結構進行調(diào)整，以獲得拓撲優(yōu)化的相關數(shù)據(jù)。

3.3 形狀優(yōu)化

在汽車結構輕量化設計過程中，形狀優(yōu)化設計的主要目的是改善汽車整體結構的受力狀態(tài)。通過調(diào)整整體結構和局部結構，可以更好地發(fā)揮應用程序的性能和各種材料的性能。同時，設計者應根據(jù)車輛的幾何結構，采用最合適的優(yōu)化設計方案。例如，當車輛幾何形狀不規(guī)則時，參數(shù)形狀優(yōu)化方法可以同時優(yōu)化梁結構截面和車輛減重孔形狀。

4 輕量化材料在汽車工程中的應用

4.1 高強度鋼

隨著材料科學的不斷發(fā)展和完善，高強度鋼自誕生以來就被廣泛應用于汽車制造業(yè)，對提高結構強度、減輕結構重量具有重要意義。目前，高強度鋼主要分為高級高強度鋼和普通高強度鋼。根據(jù)相關調(diào)查結果，用高強度鋼代替車身材料后，車身重量可降低到原來重量的75%左右。以DP雙相鋼為例，該鋼由馬氏體和鐵素體組成。馬氏體含量在10%～15%之間。含量越高，鋼的強度越高。同時，DP鋼還具有良好的抗疲勞和延伸性能，廣泛應用于車身結構的前、內(nèi)導軌、前后保險杠、中柱內(nèi)板等零件和安全件。

4.2 塑料及復合材料

我國汽車制造業(yè)發(fā)展初期，塑料和纖維復合材料的生產(chǎn)工藝不成熟，材料性能質(zhì)量差，制造成本高。隨著材料科學的不斷發(fā)展，以及生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和改進，塑料和復合材料逐漸成為汽車車身結構的主要材料，它不僅能滿足汽車車身結構的性能和質(zhì)量要求，同時也大大降低了車身的質(zhì)量。根據(jù)相關調(diào)查結果，人體結構中各種塑料及復合材料的平均消耗量在150公斤以上，占人體質(zhì)量的20%以上。如聚丙烯、聚碳酸酯等材料廣泛應用于車身結構中，如踏板、遮陽板、擋泥板、發(fā)動機罩、后滑門等部件。長纖維熱塑性復合材料用于汽車車門結構、保險杠、儀表板等零件。在寶馬I3電動車中，底盤車身材料為碳纖維材料，實際質(zhì)量僅為傳統(tǒng)底盤的50%左右。

4.3 鋁合金

鋁合金由于其密度僅為鋼的1/3，導熱性、耐久性和耐腐蝕性強，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。鋁合金是在鋁中加入一定量的混合金屬制成的，能全面提高構件的整體強度、耐久性和抗疲勞性。同時，鋁合金也可以回收利用，注重節(jié)能環(huán)保的理念。將鋁合金應用于汽車輕量化零部件的制造具有重要意義。它主要用于發(fā)動機和底盤的驅(qū)動和控制系統(tǒng)部件。一些變形鋁合金更多地用于車身系統(tǒng)部件和熱交換器制造。由于鋁合金制造成本高，它只出現(xiàn)在高檔轎車上。隨著這項技術的不斷研究，鋁合金在汽車上的應用也在不斷擴大，在特種氣囊支架和汽車車輪上也得到了改進和應用。

4.4 工程塑料

塑料成型非常容易，經(jīng)過處理可以使一些設備變得更加簡單。塑料制品具有很強的彈性，能吸收大量的能量，減少碰撞的沖擊，具有很強的緩沖作用，以及降噪和校正的能力。此外，與傳統(tǒng)金屬制品相比，塑料復合材料具有很強的耐久性和耐腐蝕性，遠遠大于鋼板。在汽車零部件制造中，主要用于發(fā)動機電子系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等零部件。通過這項技術的延伸。這些材料還用于納米復合材料、無噴霧塑料、塑料和玻璃纖維增強塑料。

5 結語

綜上所述，為了促進現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展，實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的目標，企業(yè)必須加強輕量化技術的應用，靈活運用各種技術手段，深度挖掘潛在的應用價值，推動汽車輕量化、集成化、系統(tǒng)化的設計制造體系發(fā)展?？傊?，從我國汽車工業(yè)未來的發(fā)展趨勢來看，輕量化汽車將成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。如何提高汽車輕量化材料的應用和生產(chǎn)技術，已成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。我國相關人員只有秉持著不懈的理念，才能進一步研究開發(fā)出更加優(yōu)秀的汽車輕量化材料制造工藝，進而為我國汽車工業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻。

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