白车身轻量化技术与实践

姜爱珠

摘要：本文从材料、工艺、结构三方面入手，阐述了白车身轻量化的关键技术，并对虚拟产品开发思路与技术进行了说明，包括参数化模型的构建、拓扑优化、断面优化等。同时，分析了白车轻量化的成效，证实了相关技术的应用能够促使汽车产品的自重、生产成本、材料成本、汽车行驶燃油总量、排碳总量均大幅降低。

Abstract： In this paper， the key technologies of BIW lightweight are expounded from three aspects： material， process and structure， and the ideas and technologies of virtual product development are explained， including parametric model construction， topology optimization， section optimization and so on. At the same time， the results of light weight reduction of white cars are analyzed， and it is confirmed that the application of related technologies can greatly reduce the deadweight， production cost， material cost， total fuel consumption and total carbon emission of automobile products.

关键词：白车身;轻量化;参数化建模

Key words： body in white;lightweight;parametric modeling

中图分类号：U463.82                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）23-0102-02

0  引言

现阶段，受到能源总量的限制，人们对汽车车身的轻量化提出了更多要求，汽车制造业也尝试使用多种手段进行车身自重的降低。对于白车身轻量化开发来说，其包含着多个专业领域，需要对工艺、成本、装配、性能、造型等内容进行综合性考量，换言之，必须要从整体的角度出发，对白车身轻量化展开系统性考量与实践。

1  白车身轻量化的关键技术分析

1.1 材料方面的轻量化

在选取材料的过程中，应当从材料的要求特性出发完成选取，可以从多种可用材料中选取出最优的材料。当前，能够在白车身轻量化方面发挥出较好作用的材料包括：非金属材料、铝合金以及高强度钢板，以此主要对这三种材料进行对比，最终选取出用于白车身轻量化设计的最优材料。

对于非金属材料、铝合金以及高强度钢板而言，三者具备不同的优缺势。实践中，若是根据以往的工作经驗进行材料选取，则极容易导致白车身轻量化的制作成本增高。为了避免这一问题的发生，可以使用以下方式完成上述三种材料的对比，并选取出最适用于白车身轻量化的材料：

对于非金属材料来说，其主要优势在于构建整体结构的简易程度更高。在某平台的实践中，选用全塑前端框架进行构件生产，得到的减重效果为：优化后的构件自重减少原构件自重的38%。选用非金属材料（热塑性碳纤维复合材料）开发制作乘用车顶盖横梁零件，得到的减重效果为：优化后的横梁零件自重减少原零件自重的56%。

对于铝合金材料来说，其主要优势在于能够吸收更多的弹性能量，还具备较好的吸收变形能量的性能。基于此，在进行汽车防撞横梁零件的开发制造中，通过引入铝合金材料，能够在保证零件防撞性能的同时，还可以消除钢与铝连接不顺畅的问题。在某平台的实践中，选用铝合金材料进行防撞横梁零件的生产，得到的减重效果为：优化后的防撞横梁零件自重减少原零件自重的50%。

对于高强度钢板来说，其主要优势在于具备极高的通用性，结合参数化优化，能够确定出对比强度灵敏的结构件。依托高强度钢板，不仅能够维护零件性能的良好性，还可以达到减轻零件自重的效果。

1.2 工艺方面的轻量化

工艺方面的轻量化主要是在制造、加工、装配过程中通过优化操作而达到白车身自重降低的效果。目前，能够达到白车身轻量化目标的工艺优化可以从以下几方面入手：焊接工艺、成型工艺、激光拼焊工艺。

从焊接工艺方面来看，通过在实践中大规模应用机器人系统，能够达到提升焊接质量以及精准程度的效果。实践结果表明，基于机器人系统的焊接可以促使板件焊接重合面的宽度降低1-2毫米，推动白车身自重降低0.4%。从成型工艺（热成型与辊压成型）方面来看，通过使用相应技术取代传统冲压工艺，能够有效解决钢板回弹严重、容易开裂、成型困难等问题，最终获取具有更高强度的冲压件。实践结果表明，基于热成型与辊压成型的成型工艺可以促使白车身零件的自重降低30%。从激光拼焊工艺方面来看，其主要实现了零件的整合，保证在构建白车身整体结构时降低各个零件的搭接重量。实践结果表明，通过在门内板等零件中应用激光拼焊工艺，促使相应零件的自重降低37%。

1.3 结构方面的轻量化

除了从材料与工艺方面入手进行白车身轻量化设计与制造之外，结构轻量化也是减轻白车身自重的重要手段。相比于材料轻量化、工艺轻量化来说，结构方面的轻量化更容易得到市场的认可，且在白车身精益设计方面发挥出重要作用，促使汽车产品的市场竞争力大幅提升[1]。目前，能够达到白车身轻量化目标的结构优化可以从以下几方面入手展开，即：整体结构轻量化、形状优化。

在结构轻量化中，主要依托对功能的集中与整合推动多个零部件的整合，以此达到减少零部件设置量、连接结构设置量的效果，从而实现白车身自重的降低。该方法的优势在于可以不仅可以降低零部件的重量，还能够推动白车身总体生产制造成本的下降。在某平台的实践中，主要对结构设计与变轴距共模具技术进行更新，在实现平台化车型尺寸带宽变化的基础上完成零部件的整合设置，在达到轻量化目标的基础上，减少了70套模具的开发使用。实践结果表明，在塑料前端模块功能、中通道总成零件等整合支持下，白车身零件的自重降低10-40%。

一般来说，汽车车身的形状设计普遍参考结构车型完成，因此在形状优化方面，依旧存在着极高的开发前景。实践中，要提前进行形状因数与应力类型之间关系的分析，并建立起环状结构、接头优化等面向形状的受力分析理论。在此基础上，需要引入Section AD软件分析断面特性，为形状因数的总结提供支持，最终达到形状优化设计的效果，在保证功能性与使用安全性的基础上，促使白车身的自重进一步降低。

2  白车身轻量化产品的虚拟开发实践

2.1 总体思路

从概念设计阶段开始，通过隐式参数化建模的方法建立一个全参数化白车身模型。同时，引入分步优化设计，在保持对整车性能控制的基础上促使整個过程中均贯穿着轻量化设计思想。另外，在不同阶段分别针对整车模态、弯扭刚度、碰撞性能和质量等指标进行优化[2]。

2.2 参数化模型的构建与优化

若继续使用CAD软件进行车身结构设计，则会导致车身设计受限，在后期难以展开结构的多次、灵活更改。若不得不进行车身结构的调整，那么所有零件的设计均需要进行变更，总体工作量极大，造成白车身轻量化设计的效率效果下降。笔者在实践中发现，使用CATIA软件展开车身机构设计就能够有效避免上述问题的发生，依托参数化设计建模，能够促使模型中的点、线、面均在参数的支持下完成关联。此时，想要对车身机构展开调整，可以利用对参数与设计步骤的变动实现，提升了设计变更的速度质量。实践结果表明，通过构建参数化模型，能够促使产品构思至虚拟产品呈现之间的时间长度降低6个月。

通过调整板件材料及其厚度、参数驱动结构拓扑形状，能够实现车身模型断面、接头以及加强件的参数优化，能够实现控制更改、网格划分和计算求解，结合科学优化算法的应用，达到自动优化的效果。此时，可以获取满足多种性能需求的车身尺寸最优方案。实践结果表明，依托上述优化设计，车身自重相比于初始模型降低了37千克，且该模型优化阶段的时长减少2个月。

2.3 拓扑优化

若是依托个人经验对荷载路径进行手动修改，并展开仿真验证，不仅无法保证最终结果的质量，总体效率也极为低下。此时，需要提前对白车身进行拓扑分析，为相关人员落实结构的针对性优化设计提供参考。在搭建拓扑模型时，应当结构结合内外饰的造型以及总布置图实现优化设计空间的确定;融合对工况条件的约束，引入计算分析软件，最终获取高度可行的荷载路径（用于结构设计）。

2.4 断面优化

现阶段，分析软件得到了广泛应用，但是普遍均应用于分析三维模型。如实在前期的二维断面阶段就可以展开性能分析评估，则能够更好的避免后续出现重大修改，提升设计质量的同时也缩短产品设计开发进度[3]。为了实现这一目标，可以应用Section AD软件进行断面优化。通过该软件的应用，能够快速完成对二维断面的分析评估，确定不同设计方案的效果与优势。例如，可以对比出不用材料条件下，最大轴向荷载、弯矩的灵敏度差异，并获取截面尺寸、形状、厚度的最优设计方案，达到在项目前期完成性能评估与优化设计的效果。

2.5 成型性与材料利用率的优化

在项目前期，由于并没有供应商的介入，因此无法准确判断冲压成型零件工艺性以及板料成本。而通过应用FTI白车身同步工程系统就能够实现对上述问题的有效解决，完成零件冲压可行性与板料利用率的快速评估，最终形成最优的冲压薄板零件成本控制方案，进一步缩短项目开发时间，提升整体设计效率。

3  白车轻量化的成效分析

就当前的情况来看，汽车行业的市场竞争压力进一步增大，特别是对于中低端车型来说，由于市场需求量加高，因此更多的汽车制造企业纷纷进行相应产品的研发与生产。在这样的背景下，想要保证中低端车型的经济效益，就需要从生产成本入手进行利润增加。同时，用户对汽车产品的现实要求明显提升，促使白车身轻量化成为必然选择。

以某即将上市的车型为例进行白车身轻量化成效说明，该车型预计生产销售110万辆。依托上述的轻量化设计方式，单台车的自重减轻50千克，平均车身成本效率取值每千克15元人民币，可以得出生产成本降8.25×108元人民币。同时，白车身轻量化技术的支持下，材料的实际利用率也有所提升，单台车的材料成本降低月20元人民币，可以得出全生命周期销量可节约的材料费用达到2.2×107元人民币。当车身的重量每降低100千克时，在运行100千米时所消耗的燃油量随之降低0.2-0.8升，本研究取中间值0.6升，单台车的驾驶总距离取值3×105千米，可以得出节省的燃油总量达到9.9×108升。当车身的自重每降低100千克时，对运行100千米时所排放的碳量随之降低1.12千克，单台车的驾驶总距离取值3×105千米，可以得出降低的排碳总量达到1.8×109千克。

4  总结

综上所述，必须要从整体的角度出发，对白车身轻量化展开系统性考量与实践。目前，常用的白车身轻量化技术主要有材料轻量化技术、工艺轻量化技术以及结构轻量化技术，结合参数化模型的构建与优化、拓扑优化、断面优化、成型性与材料利用率的优化，实现了汽车产品的自重、生产成本、材料成本、汽车行驶燃油总量、排碳总量均大幅降低。

参考文献：

[1]吴成平，于强，郑震，等.基于灵敏度分析的商用车白车身轻量化研究[J].汽车零部件，2020（02）：15-18.

[2]赵新阳，刘博远，马晓春.基于先进钢材料及其成型技术的车身轻量化研究[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2020（06）：193-194.

[3]罗宾，马丽春，李金龙.基于灵敏度分析的某铝合金白车身轻量化研究[J].内燃机与配件，2020（08）：13-15.