汽车车身结构轻量化研究

武守辉 郑辉 焦凤茂

摘 要：21世纪，汽车呈现出系统化、模块化、轻量化、电子化和个性化的总体发展趋势。当前，一次性能源的急剧减少和环境污染是全球两大主要问题，汽车车身轻量化的重要性日益凸显。低能耗、低排放、高性能的汽车是社会可持续发展的必然要求，车身结构轻量化正是实现这一目标的有效方法。车身轻量化设计可以减少原材料的使用量，降低生产成本和油耗，减少尾气排放，实现节能环保。因此，本文从车身结构设计、材料选择、制造工艺等方面研究了如何实现汽车车身结构的轻量化。

关键词：轻量化;结构设计;材料选择;制造工艺

中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：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

汽車车身轻量化是世界汽车产业的重要研究课题[1-3]，是全球汽车厂商的共同选择，是我国应对能源安全、新能源汽车发展的必然选择，也是汽车工业可持续发展的必然之路，对于提升汽车产品的核心竞争力，提高汽车企业的创新能力有重要意义。然而，汽车轻量化理论和技术的实施涉及汽车安全品质、材料工艺、回收再利用等多学科多目标协同优化问题[4-6]，特别是新能源汽车结构特殊，人们需要掌握结构轻量化的基本原理，遵循科学的设计方法和开发流程，并且把轻量化开发和研究的理念贯穿始终。主要就是运用各种技术手段，在保证汽车各项性能要求的前提下，降低整个车身及零部件总成的质量，以实现汽车质量降低的目的[7-9]。

1 国内外车身轻量化研究的发展

1.1 国外车身轻量化的发展

国外超轻钢技术发展比较迅猛，由于技术水平和汽车轻质材料价格问题，钢材还将在未来很长一段时间内无法被替代。20世纪90年代，世界钢铁协会成立了超轻钢技术项目组，重新设计汽车车身结构，提升钢材质量，减轻相同性能下钢材的使用量，达到车身轻量化的目标。该项目取得了瞩目的成绩——车身减重约25%。但是，其车身一阶模态频率、车身扭转刚度和车身弯曲刚度都比原来有很大程度的提高。汽车生产成本比原来降低15%。

世界钢铁协会进行汽车车身轻量化的主要手段包括：利用高强度的板材替代传统板材;利用新的生产工艺，如激光焊接工艺和液压成型工艺等;使用有限元法对现有车身进行优化设计，使用计算机仿真技术，以保证车身的各种性能指标达到标准。

碳纤维增强材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）强度高、刚性好、质量小，它拥有优秀的耐蠕变和耐腐蚀性，成为汽车轻量化最理想的材料。虽然碳纤维增强材料有众多优点，但是价格一直居高不下，现阶段，碳纤维增强材料只用于高档轿车或跑车上。

除了高强钢和铝合金外，镁合金和复合材料等轻质材料也在汽车车身中得到一定程度的应用。镁具有良好的加工性、抗凹性、减震性，镁合金密度大约是铝合金的2/3，具有良好的轻量化应用潜力。总体来看，国际上，汽车轻量化技术已经很成熟。

1.2 国内车身轻量化的发展

目前，我国高强度钢轻量化车身研究取得较大进展，宝钢已形成TP、DP、DQ、BH及CQ等商业高强度钢板品种，覆盖了目前国外主要品种的生产，表明国内高强度钢系列已初步形成。

我国的汽车铝合金用量与国外相比还有较大的差距，2011年美国汽车单车的平均用铝量达到161 kg，2012年欧洲汽车单车的平均用铝量为145 kg。但是，我国2010年乘用车单车的平均用铝量仅相当于北美洲2000年的水平（119 kg）。

2008年，中国汽车轻量化技术创新战略联盟在宁波正式成立。2016年，轻量化联盟拥有19家成员单位、46家伙伴单位和6家观察员单位。

从总体看，我国汽车轻量化技术发展主要面临如下问题：轻量化技术涉及学科研究领域众多，需要应用较多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系，但是我国研究机构目前只注重单个技术的开发，很少有各技术的交叉;车辆轻量化技术涉及许多常用技术和尖端技术，其核心技术的突破不可能由单一企业或研发机构完成，国家必须有战略性、前瞻性、协调性的部署，而我国缺乏此类机构;产学研结合不够紧密，没有明确分工。

由此可见，无论是理论方面还是实际运用方面，中国汽车轻量化技术发展与国外相比都有很大的差距，任重而道远。

2 汽车轻量化理论与设计方法研究

汽车轻量化的问题是在最优化的理论基础上建立的，通常所说的优化设计，就是根据实际的情况和问题，建立其优化的数学模型，采取一定的最优化方法，寻找既满足约束条件又使目标函数最优的设计方案。构成结构设计问题的三要素为：设计变量（Design Variable，DV）、状态变量（State Variable，SV）、目标函数（the Objective Function，OBF）。具体方法如下。

在汽车结构轻量化中，结构尺寸优化是在确定结构拓扑的前提下，用少量的尺寸来表示结构的某些变化，然后建立基于这些维参数的数学模型，并采用优化方法求解最优维参数。

在尺寸优化中，其设计变量大多数为材料参数（如说弹性模量和密度）和尺寸参数（如横梁横截面的尺寸、转动惯量、弹性支承刚度、板材的厚度、两个部件之间的连接刚度等）。

尺寸优化是通过优化一维梁单元的截面尺寸、二维板单元厚度等，寻找目标结构件的最好截面尺寸，满足其相对应的性能要求，性能优化期间，结构的形状和拓扑结构没有发生变化。尺寸优化的一个重要方向是一维梁单元的截面尺寸优化，从之前的结构到现在工业上用的各种型号钢材，尺寸优化已经相对成熟，在给定结构外形几何、材料、单元类型、结构布局的情况下，以截面的尺寸为设计因变量，寻求截面尺寸的最优，以满足性能要求并且实现结构轻量化，达到降低生产成本的目的。

3 汽车车身轻量化发展趋势

3.1 利用高强度板材来代替传统板材

3.1.1 铝合金。铝合金在轴向载荷作用下会产生渐进叠缩稳态变形，比吸能远远高于低碳钢结构。铝合金作为缓冲吸能元件，在碰撞安全性方面有明显的优势，而且应用于车身时，由于质量降低，碰撞时产生的动能减小，所以其在汽车上的应用呈现连续增长趋势。

3.1.2 镁合金。镁合金的弹性较弱，在同等的受力情况下会发生较大的变形。所以，使用镁合金材料时，要提高镁合金板材的厚度或者重新设计板材结构。

3.1.3 多孔材料。在大自然中，有很多动物的筑巢方式值得人们学习，在向大自然的学习中，人们制造出各种各样的用于能量吸收的轻质多孔材料，如泡沫材料、蜂窝材料等。蜂窝材料用作吸能材料，具有明显的方向性，用于各种夹芯板和薄壁填充管具有突出的优势。泡沫材料可分为开孔泡沫材料和闭孔泡沫材料两种。其中，开口材料的抗压性总体优于闭孔材料。开孔材料又可以分为金属材料和非金属材料两种。金属泡沫材料，尤其是泡沫铝，密度小、变形能力大、比吸能好，具有均匀稳定的能量吸收特性曲线，是非常理想的能量吸收材料。但是，泡沫铝含有空隙而且强度较低，在受到拉、压、扭转时容易发生断裂破坏，而且破坏后不容易保持完整，故而一般将泡沫铝作为薄壁管的填充材料。非金属泡沫材料多用作汽车内部装置，作为装饰材料和承重架中间的缓冲物。

3.2 其他方法

采用新的生产工艺，如激光焊接工艺、液压成形工艺等。利用有限元法对现有的车身进行优化设计，利用计算机仿真技术，提升车身的各种性能指标。

4 结论

随着我国科学技术的进步，新的轻型复合材料越来越多，可用作汽车车身的材料越来越丰富，计算机仿真模擬精度越来越高，在保证汽车安全性能的前提下，汽车车身质量逐渐降低。汽车轻量化对节能减排也有着极大的促进作用。

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