新能源汽车车身轻量化设计理念探究

刘锋

摘 要：随着汽车行业的不断发展，人们对汽车行业也提出了新的要求？如何在保证质量的前提下做到节能减排成为了汽车领域里的新挑战。很快，新能源汽车诞生，通过采用更为科学的能源与燃油系统，极大程度上降低了对环境的污染，被更多的人民群众所关注。新能源汽车的车身设计与传统的汽车相比差别极大，因此设计过程中，需要高度重视车身的轻量化设计。本文通过对新能源汽车车身轻量化的设计理念深入探究，提升大家对汽车车身轻量化设计的进一步了解。

关键词：新能源汽车 车身轻量化 设计理念

1 引言

随着人们的环保意识不断增强，日常的衣食住行方面愈发注重使用环保节能的产品。同时，我国提倡绿色发展，为顺应时代潮流，汽车行业也是进行了很大的改革，对环保节能的理念更为重视。我们都知道，世界各个国家的常规能源都是有限的，因此资源形势问题变得愈发严峻，新能源兼具环境保护和降低耗能的特性使得它成为汽车行业的重点发展方向。可以说，新能源汽车的投入与推广，将大幅度推动汽车行业的能源结构转型。但是与此相对的，新能源汽车在发展过程中也遇到了很多的难题和障碍，汽车车身的轻量化设计就是问题之一，能否有效解决这一难题，将对我国汽车行业的持续发展影响深远。

2 新能源汽车的车身轻量化设计理念从何而来

早在上世纪50年代，欧洲等发达国家的汽车生产商就开始了针对汽车车身轻量化方面的研究，并取得了很大的成果。例如，我们都知道的特斯拉电动汽车，其整体车身95%以上采用的都是铝材，铝材由于密度较小，具有很强的防腐蚀性和高寿命，即使恶劣的环境也能很好的适应，因此大大提升了汽车的整体续航能力。我国对新能源汽车的研究虽然晚了一步，但是我们国内的汽车生产商也在努力将新能源汽车推入国内市场。众所周知，新能源汽车在环境保护、节约资源方面有很大的优势，可以说是我国汽车行业能源结构转型的重要基石，有极其重要的战略意义和商业价值。然而，任何事情都不是一蹴而就的，新能源汽车的研发过程也是极为坎坷，伴随着各种各样的问题，严重影响了研发进度，阻碍汽车行业的发展。其中一个就是难题就是新能源汽车采用的电池能量质量比不高，导致新能源汽车的能量消耗过大，无法达到理想的续航里程[1]。在新能源汽车的设计中，以电池为主的动力驱动系统，约占总车质量的30%到40%，同时由于其采用的能源与燃油驱动系统和传统的大不相同，因此无法像传统的汽车那样依靠燃油补充增加续航里程。鉴于现阶段的电池技术还不能满足新能源汽车的发展需要，因此，为了更好的保障新能源汽车的续航能力，在重视新能源汽车电气化的同时也不能忽略汽车车身的轻量化设计。因此，为了更好的推动新能源汽车行业的发展，对于车身的轻量化设计是我们必须要走也一定要走到底的一条道路。

什么是汽车车身轻量化设计？通俗来讲就是将新能源汽车的整体质量与整体尺寸都尽可能的缩小，使新能源汽车在满足日常载人载物需要的同时保持自身耗能在可控范围内，延长续航距离。较小的质量与尺寸就要求更轻、更小的汽车车身结构，由于新能源汽车采用的是以电池为主的动力驱动系统，与传统的汽车差距较大，因此对新能源汽车的车身轻量化设计无法提供很好的指导经验[2]。为了更好的解决这一难题，设计人员要积极提升专业水平，不断积累经验，参考借鉴传统的汽车车身设计经验，同时结合新能源汽车的设计需求，不断创新改进研究设计，争取早日攻克这一难关，更好的实现轻量化设计。

3 新能源汽车车身轻量化设计理念解析

对于新能汽车汽车轻量化设计，如何才能快速的取得科研成果呢？合理的设计理念、结构的优化改革、有限元理念分析及新型材料的运用都是影响其发展的核心因素，下文们将对以上四种因素进行详尽剖析。

3.1 设计合理理念

在整个新能源汽车的车身轻量化设计中，设立理念至关重要，设计理念是设计师在设计活动中对产品的的主导思想，可以说是精髓所在。因此，在新能源汽车的车身轻量化设计中，合理的设计理念是最基本也是最关键的核心所在。设计的科学合理性有助于汽车车身结构达到最大限度的优化，而在优化轻量化车身时，设计人员首先要考虑新能源汽车的动态和静态性能，其次要格外重视模态分析和数值模态分析。传统意义上的车身轻量化设计是指在保證汽车的碰撞安全性、动静态刚性等性能下，通过降低车身质量来降低整车质量，从而达到降低能源消耗，提高汽车性能的目的。新能源汽车的车身轻量化设计概念主要体现在两点，其一，在概念设计阶段对车身机构或零部件进行优化设计，保证其满足各项性能的前提下，降低其车身质量;其二，车身采用低密度的材料，如钛合金、复合材料等，通过对轻质材料的应用，提升新能源汽车的续航里程。设计人员也要做到加强设计时的沟通交流，实现数据信息共享，进而最大限度的保障设计的科学和可行性。总而言之，在新能源汽车的发展过程中，合理的设计理念是其中的重要组成部分。

3.2 结构优化设计理念

我们经常会在很多的场合或者文件中听到或看到过结构优化这个词语。可以说，不管是经济发展抑或是企业发展，再或者是建筑工程发展，要想实现经济效益的最大化，进行结构优化是必然要走的一条道路。因此，为了更好的促进新能源汽车行业的发展，进行结构优化设计是其中必不可少的一个环节。结构优化设计在给定约束条件下，按某种目标（如重量最轻、成本最低、刚度最大等）求出最好的最科学设计的理论方法。新能源汽车车身的轻量化设计采用的便是这一设计理念。结构优化设计理念要求在设计方案满足最基本的基础和原则的前提下，从可行方案中选择最符合设计要求的设计结果[3]。通过结构优化设计将原有的系统转换成数学模型，按照实际需要取舍其中的设计变量，更好的实现设计要求。

3.3 有限元理念分析

什么是有效元？有效元分析就是用较简单的问题代替复杂问题然后求解，把一个完整的这整体的结构分解为若干的子单元，把这些若干的子单元进行相连接，然后将这些连接的单元整体组合成与原结构相仿的组织。在新能源汽车的车身轻量化设计中，通过合理的利用有限元理念，把车身机构或零部件，例如车门这样的整体模型转化为若干的子单元的模式。运用有限元方法进行结构优化一般分为三种形式：结构的拓扑优化设计、形貌优化设计、尺寸优化设计。

结构的拓扑优化设计是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行優化的数学方法，是结构优化的一种。这种优化设计有更多的设计自由度，也能够获得更大的设计空间，与此同时，拓扑优化技术随着日渐成熟也衍生出了均匀化方法、水平集法及变密度法等新的形式[4]。形貌优化设计，是在已有薄板上寻找新的凸台分布，提高局部刚度，例如，在设计新能源汽车车身的金属零件时，运用形貌优化设计，提高局部刚度，如此便可以减轻零件的质量，达到轻量化效果。形貌优化设计总结来说就是，通过寻找新的凸台分布达到减少质量的目的，同时增加局部刚度。尺寸优化设计，主要通过改变一维梁单元的截面尺寸和二维板单元的厚度来优化结构的截面尺寸，从而满足汽车的性能。在新能源汽车尺寸优化过程中注意结构件的形状和拓扑结构是不变的，在保证汽车的安全性能的基础上实现车身轻量化的目的。

3.4 创新材料理念

新能源汽车车身轻量化的设计发展，离不开新型材料的使用。在我国，用来减轻汽车重量的新型材料分为两大类，一类是强度高的材质，另一类是质量较轻的材质[5]。强度高的材质，比如高强度不锈钢、结构性钢、粉末冶金材料等，质量较轻的材质，比如铝合金、镁合金、钛合金等。在实际应用中，例如，镁合金可以做钢铁材料的替代，具有突出的震性和抗凹性;高强度钢和先进高强度钢是汽车轻量化而又保证安全的基础材料;塑料复合材料密度较小，具有良好的抗腐蚀性，汽车零部件使用塑料复合材料加工简单，拥有良好的的耐冲击性能和绝热性能等。总结看来，在新能源汽车车身的轻量化设计中充分利用好新型材料，将大大减少汽车的能源消耗，同时有效的减少对环境的污染，在一定程度上保护了环境。

4 结束语

随着我国经济的不断发展，我国提出了可持续发展的科学发展观。新能源汽车的普及拓展，对于保护我国的社会环境有重要的战略意义。在新能源汽车的车身设计中，车身轻量化设计是汽车节能减排的重要技术途径，如何通过汽车车身轻量化技术的开发实践提升新能源汽车的发展，是我们当下要思考的问题。在新能源汽车轻量化的设计中，以科学先进的理论为指导，并结合实际进行改进，有助于实现轻量化的设计目标，同时对于推动新能源汽车在我国的普及使用有积极深远的影响。

参考文献：

[1]胡越鹏[1].汽车车身轻量化设计理念探究[J].大众汽车，2019，25（8）.

[2]杜轶姝.新能源汽车车身轻量化设计理念探究[J].艺术科技，2017，30（10）.

[3]李天逸. 轻量化汽车的造型设计研究[J].北京化工大学，2018.

[4]王帅，孙洋.新能源汽车轻量化技术路线和应用策略[J].汽车实用技术，2019（10）：46-48+65.

[5]袁博.车身轻量化技术对新能源汽车性能的提升研究[J].汽车文摘，2019（05）：39-42.