车身轻量化设计分析

摘要：当前，随着社会经济的快速发展，汽车生产制造中车身轻量化设计与发展趋势日益明显，而应用先进技术则为实现轻量化设计创造了条件。但轻量化设计中要全面考虑车身材质、灵敏性与碰撞安全性等问题。所以汽车车身设计中，轻量化设计已成为研究的重要内容。深入研究车身轻量化设计方法，利于推动车身轻量化发展，对汽车制造行业发展至关重要，基于此，针对车身轻量化设计相关知识，本文进行了简单地论述。

关键词：汽车;车身轻量化设计;建议

1 引言

随着经济的快速发展，全球经济也日益恶化，原有价格日益增长，加剧了能源危机。此种情况下，国家发改委提出了能源战略发展要求，节能减排成为目前汽车行业研发的主要趋势。社会经济快速发展的同时，居民生活品质日益提升，日常生活中汽车拥有量增长，为人们日常生活提供了极大的便利。近年来，我国汽车产销量再创新高，位居世界榜首。汽车行业竞争日益研究，而用户节能与环保意识不断增强，对车辆节能减排性能有了新的要求，低油耗成为用户选择与汽车购买的首要因素。车辆节能性备受汽车企业重视，车身重量对整车节能性有着重要的影响，因而整车性能设计中，轻量化成为重要参考指标。

2 车身轻量化设计目的及意义

基于节能与环保要求，汽车轻量化备受社会各界关注，且车身轻量化对汽车油耗与环保有着重要的影响，汽车轻量化目的在于保障汽车安全性能，汽车行驶中实现节能减排效果。

相关行业研究发现，大约75%的油耗离不开整车质量因素，因而降低汽车质量利于减小油耗与排放。比如汽车行驶阻力公式中，滚动、空气、上坡及加速等方面的阻力共同构成了汽车行驶阻力，其中空气阻力与质量没有关系，其它阻力都与质量间是正比关系，即汽车质量越重其行驶阻力就更大，从而产生更大的油耗。汽车行驶中，质量减小10%，其油耗就会降低8%，排放量也会减少4%。一般轿车或SUV车型，汽车总质量中车身占到30%。实践发现空载条件下，车身质量引起的油耗占到70%。所以，车身轻量化设计对汽车节能减排具有非常重要的意义。

3 车身轻量化结构设计

车身轻量化设计中，除过应用轻量化材料取代普通钢板，还可分析并优化车身整体结构，以此实现汽车零部件的整体、集成与精简化的目标。随着汽车结构设计软件的更新发展，车身布局设计与室体结构优化中常用CAD与CAE等技术进行，计算并分析各构件形状、配置及板厚等强度与刚性。同时保障性能基础上从整体上合理设计零部件壁厚减薄、数量精简与结构。

3.1 优化车身布局

优化布局即根据实际情况促使侧车身整体或局部结构实现最佳布局，比如应用前置前驱布置可降低很多传动系统制件，实现减重目的。此外，应用承载式车身取消车架使得车身质量明显减轻。

3.2优化尺寸

优化尺寸是结合车身质量与强度等，对板厚、梁截面与平面惯性矩等尺寸进行优化以此实现盈利均匀分布。通常情况下，尺寸优化要将汽车零部件形状尺寸作为变量，满足不同条件的车身刚度、振动、强度及吸能要求。汽车车身设计中线性静力学与振动等问题，可应用传统数值优化算法直接设计轻量化车身。基于线弹性尺寸优化的设计方法，能够优化汽车制造所用零部件并减重汽车重量。

3.3 优化车身形状

其主要指通过制件外形的改变，均匀结构受力。具体主要指优化汽车结构整体或局部形状，充分发挥材料潜力。通常工程设计师采用有限元法进行设计降低应力高峰发生几率实现均匀分布。具体是储存或加强高负荷承受位置材料，而减薄或去除低负荷承受部位材料。

3.4优化车身拓扑

其主要指分析制定设计空间材料分布情况，利用拓扑孙发自动取得最佳动力传递途径，以此节省材料。该方法是探寻空间材料最佳分布情况，是一种应用价值比较高的方法。常用结构拓扑优化方法包含均匀化与变密度等方法。

4 车身轻量化设计方法

4.1 优化结构设计

其主要指将原有系统设计成具备变量数学模型的系统，利用所选变量满足设计要求。其主要包含形貌、拓扑及尺寸等优化设计方法。结构拓扑优化方面，设计人员要掌握结构振动与静态性特点，以此拓扑优化设计车身结构。该设计方法的最大特点在于车身设计前，借助相关受力条件与外界条件，即可获得结构材料最佳分配方案，得到部分结构参数，以此为后期车身设计创造条件。结构形貌优化设计中，形貌优化设计在于找到车身结构形状的最佳设计方法。比如，车身钣金件形貌设计中，可利用加强筋最佳布置方案降低钣金质量前提下，提高结构刚度。形状优化设计简单且使用方便，目标明确后能够在约束条件与设计变量状况下完成优化设计。

4.2有限单元分析设计

现阶段，工程问题分析中，有限单位分析技术是一种有效的手段，其是利用计算矩阵计算每一步过程，分析解决工程问题转换為数学的问题。复杂工程问题解决过程中，有限单元单元分析技术需要设置的条件比较多且计算时间长，由此对计算机硬件设备与有限单元分析软件的要求更加严格。

4.3所用新材料

车辆生产制造中，应用新型材料可加快车身轻量化设计。但所用新型材料也会增加车身生产成本，因而可选用纤维复合材料降低车身质量实现轻量化设计目标。具体而言，汽车车身轻量化设计以开发设计阶段为主，有效设计车身概念、动静态刚度及碰撞安全性等。在此过程中，新型材料包含铝合金、塑料及镁合金等各种低密度材料与高强度钢材料。应用新材料时要充分考虑材料强度、刚度、成本及回收应用优势。现阶段，钢材是汽车车身设计的主要材料。高强度钢材料拉伸强度高且屈服强度大，可提高汽车车身能量吸收与抗变形等能力，使得车身动态性能得到优化，车身质量减小，更好地实现轻量化设计目标。此外，相较之其它材料，高强度钢材料有更好地固有频率、动静态刚度与碰撞安全性，是汽车车身轻量化发展的必然趋势。但因镁合金材料腐蚀性大且有很高的回收与制造成本，目前车身轻量化设计中镁合金材料应用还存在一些问题。

4.4灵敏性车身轻量化设计流程

汽车车身轻量化设计过程中，要想确保车身性能与其设计标准与要求保持一致，特别是灵敏度分析情况下，将车身钣金厚度视为变量，参考车身扭转刚度、弯度及第一阶模态因素约束车身设计，将车身最小质量作为设计目标，以此进行车身轻量化设计。与此同时，轻量化设计中，对于零件厚度变化对钣金冲压成本造成的影响，设计人员要充分考虑这一问题，以此确保制造成本增加是最小的。

4.5以碰撞安全性为核心的车身轻量化设计

对于车辆碰撞安全性，可设置几种不同碰撞方案，并进行对比：其中第一种为有限元模型设计，其是车身轻量化设计前的设计;第二种是通过对车身钣金零件厚度进行修改以此构建的限元模型;第三种为高强度钢的轻量化车身设计。从节点侵入量层面来看，某一时段第二种放慢节点入侵量高于第一种方案，表明轻量化设计后，车身碰撞安全性满足设计要求，安全性能减小部分比较小。大部分时间段内，第三种方案节点入侵量小于第一种方案，这就表明应用高强度钢可实现汽车车身轻量化设计目标，一定程度上使得车身碰撞安全性得到明显增强。

5 汽车车身轻量化设计中必须要注意的问题

汽车车身轻量化设计中，必须要确保车身振动、寿命、强度与安全等性能不会被损坏。随着汽车产业的快速发展，汽车安全法规提出了更加严格的要求。汽车制造中，要想符合安全标准又能实现轻量化设计要求，就要充分应用计算机设备辅助设计方法，应用有限元等现代设计方法仔细分析汽车车身结构，并应用新型材料解决车身安全性与轻量化设计间的矛盾。汽车车身轻量化设计中，车身防腐蚀问题也是不容忽视的。车身结构设计中，要选用不易被腐蚀的结构亦或是将石蜡、聚乙烯等防腐蚀性材料涂抹在汽车结构中，充分考虑车身轻量化设计。防震及隔声等材料应用过程中，要选用质量轻且效果好的材料。此外，车身舒适性与环保设计中，还要注意轻量化设计综合因素。

6 结束语

综上所述，随着社会经济的快速发展，能源耗量大且环保问题日益突出，汽车设计中车身轻量化设计已成为必然发展趋势，其能带来更加直观有效地效果。汽车车身轻量化设计中，设计人员要转变设计理念，加大新型材料的创新与研究力度，从根本上保障车身轻量化设计要求与安全性，以此为汽车现代化发展夯实基础。

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作者简介——

汪涛：（1982-），男，本科，整车性能集成。