輕量化車身性能目標(biāo)的研究和應(yīng)用

孔鐿森　段明雙

摘 要：輕量化是汽車工業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，同時(shí)也是其節(jié)能減排實(shí)現(xiàn)的主要手段。本文在闡述輕量化車身性能目標(biāo)實(shí)現(xiàn)方式的基礎(chǔ)上，對(duì)輕量化車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用和制造工藝進(jìn)行系統(tǒng)分析并指出汽車車身輕量化技術(shù)的發(fā)展方向。以期有利于輕量化車身性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而推動(dòng)汽車節(jié)能減排工藝的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：輕量化;車身性能;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);材料應(yīng)用;制造工藝

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，汽車保有量的數(shù)目急劇增加，由此帶來(lái)了嚴(yán)重的能源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題。新經(jīng)濟(jì)形態(tài)下，實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的節(jié)能化發(fā)展已成為行業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的內(nèi)在要求。在生產(chǎn)過(guò)程中，汽車結(jié)構(gòu)的輕量化成為其節(jié)能減排的有效措施，本文就輕量化車身性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2 輕量化車身性能目標(biāo)實(shí)現(xiàn)方式

新時(shí)期，輕量化是汽車設(shè)計(jì)生產(chǎn)的重要特征，就設(shè)計(jì)過(guò)程而言，其不僅保證了汽車減重的實(shí)現(xiàn)，更對(duì)其動(dòng)力性、舒適性和穩(wěn)定性具有重大影響。近年來(lái)，面對(duì)著較為嚴(yán)峻的資源和環(huán)境壓力，汽車輕量化的研究進(jìn)一步深入，從輕量化車身性能目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程來(lái)看，其實(shí)現(xiàn)方式包含了汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量材料應(yīng)用和制造工藝應(yīng)用三種類型[1]。汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包含了拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化等諸多內(nèi)容，而這些優(yōu)化方法是基于有限元分析軟件建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解分析得出最優(yōu)的結(jié)果，比較常用的軟件有Hyperworks，Abaqus等業(yè)內(nèi)知名軟件。而高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料是輕量化材料應(yīng)用的主要形態(tài)。此外，在先進(jìn)制造工藝方面，液壓成型和激光焊接是保證車身質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。

3 輕量化車身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 車身結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化的應(yīng)用處于汽車研發(fā)的概念設(shè)計(jì)階段;在優(yōu)化開始前，汽車結(jié)構(gòu)的布局情況處于未知狀態(tài)。具體而言，拓?fù)湓O(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)車身結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)空間上的限制，然后在滿足各種性能約束條件下，在此空間內(nèi)找到傳力路徑、結(jié)構(gòu)材料的最佳分布形式，從而確保設(shè)計(jì)目標(biāo)的達(dá)成。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比通過(guò)建立虛擬樣機(jī)仿真分析，使其減少物理樣機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品研發(fā)效率的提升和生產(chǎn)成本的節(jié)約[2]（如圖1）。

3.2 車身結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化

車身尺寸設(shè)計(jì)是其輕量化設(shè)計(jì)最基本的內(nèi)容，其設(shè)計(jì)工藝較為成熟。汽車研發(fā)過(guò)程中，尺寸優(yōu)化基于汽車車身結(jié)構(gòu)的類型、材料、外形和布局而產(chǎn)生，其對(duì)相關(guān)部件的尺寸進(jìn)行變量控制，確保在不同工況下，車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小時(shí)，其強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)和吸能都能滿足正常行駛的使用要求。一般情況下，為確保車身結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化的合理性，汽車設(shè)計(jì)人員需要在體積最小原則的指導(dǎo)下，對(duì)其進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)模型搭建;從而實(shí)現(xiàn)輕量化車身性能目標(biāo)。

3.3 車身結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化

汽車結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化過(guò)程中，整體或局部的外形調(diào)整是其輕量化實(shí)現(xiàn)的基本方式。通過(guò)形狀優(yōu)化，汽車的車身設(shè)計(jì)可完成以下兩個(gè)目標(biāo)控制：其一，保證車身結(jié)構(gòu)受力的均勻性;其二，實(shí)現(xiàn)制造材料的充分利用。一般情況下，汽車車身結(jié)構(gòu)的幾何外形不同，其形狀優(yōu)化的方式也存在差異。對(duì)于汽車車身結(jié)構(gòu)而言，若車身的幾何外形較為規(guī)則，則設(shè)計(jì)人員可通過(guò)參數(shù)化對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整;而在不規(guī)則幾何外形設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)參形狀優(yōu)化方式是其形狀調(diào)整的基本手段。實(shí)踐過(guò)程中，只有合理統(tǒng)籌這兩種方式的差異，并在其約束條件控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化要點(diǎn)的保證，才能確保其結(jié)構(gòu)應(yīng)用的合理化，實(shí)現(xiàn)車身輕量化發(fā)展。

汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜的實(shí)踐過(guò)程，從本質(zhì)上講，其具有多學(xué)科、多目標(biāo)的基本特征。就設(shè)計(jì)過(guò)程而言，其還應(yīng)在強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、碰撞性和噪聲振動(dòng)等方面進(jìn)行系統(tǒng)把控，才能確保車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輕量化、合理化。

4 輕量化車身的材料應(yīng)用

4.1 高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼是基于固溶、析出、細(xì)化晶粒等強(qiáng)化手段而生產(chǎn)的一種現(xiàn)代化工業(yè)用材，一般情況下，當(dāng)鋼材的屈服強(qiáng)度達(dá)到210～550MPa，則其可被作為高強(qiáng)度鋼進(jìn)行工程使用，而當(dāng)鋼材的屈服強(qiáng)度超過(guò)550MPa時(shí)，其相關(guān)指標(biāo)符合超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前環(huán)境下，AHSS是一種全新化的超高強(qiáng)度鋼，又稱先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，其不僅在強(qiáng)度和延伸率等方面具有突出優(yōu)勢(shì)，如圖2所示。還具有很好的吸能性、耐蝕性、抗疲勞性，在汽車輕量化和提高安全性方面起著非常重要的作用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。目前，高強(qiáng)度鋼主要應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件、安全件和加強(qiáng)件，如A/B/C柱、車門檻、前后保險(xiǎn)杠、車門防撞梁、橫梁、縱梁、座椅滑軌等零件;實(shí)踐過(guò)程中，因其強(qiáng)度高，所以可使用更薄更輕的板料，故而有效的滿足了車身輕量化設(shè)計(jì)要求。

4.2 合金材料

與鋼鐵材料相比，合金材料在質(zhì)量、耐腐蝕和加工工藝上具有較為突出的優(yōu)勢(shì)。就鋁合金而言，質(zhì)量輕、耐腐蝕性能好、加工便捷等都是其重要的特征所在。另外，鎂合金也是一種強(qiáng)度和剛度較高的新型材料。這些合金材料廣泛的應(yīng)用于汽車的發(fā)罩外板、前翼子板、車門、車廂底板結(jié)構(gòu)件等部位，實(shí)現(xiàn)了車身質(zhì)量的有效降低。

4.3 塑料及纖維復(fù)合材料

塑料及纖維復(fù)合材料是當(dāng)前汽車工業(yè)生產(chǎn)使用的重要材料。當(dāng)前環(huán)境下，復(fù)合材料的應(yīng)用類型不斷深入，且應(yīng)用規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。從應(yīng)用過(guò)程來(lái)看，聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、熱固性復(fù)合材料等都是較為常見的應(yīng)用類型。它們被廣泛的應(yīng)用于汽車車內(nèi)裝飾、外觀裝飾和功能鍵件，確保了汽車輕量化的高效發(fā)展。

5 輕量化車身的先進(jìn)制造工藝應(yīng)用

5.1 液壓成型制造工藝

作為輕量化技術(shù)應(yīng)用的代表，液壓成型技術(shù)的應(yīng)用效果十分顯著。該技術(shù)是利用流體介質(zhì)代替模具來(lái)傳遞壓力以實(shí)現(xiàn)金屬塑性加工成形的一種加工工藝，就液壓成形的技術(shù)代表——管材內(nèi)高壓成形技術(shù)而言。其在管材內(nèi)部施加超高壓液體，并通過(guò)軸向活塞對(duì)管坯施加軸向推力進(jìn)行補(bǔ)料。在這兩種外力的共同作用下，管坯材料將在模具型腔內(nèi)中發(fā)生塑性變形，并得到最終所需的中空零件。與傳統(tǒng)沖壓焊接加工工藝相比，該工藝省去了傳統(tǒng)工藝的二次操作和焊接裝配等步驟，因而簡(jiǎn)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和零件數(shù)量、實(shí)現(xiàn)管材減重、質(zhì)量提高，以及形狀自由度增強(qiáng)等技術(shù)突破。內(nèi)高壓成形技術(shù)目前主要應(yīng)用在汽車行業(yè)，包括副車架、縱梁、保險(xiǎn)杠、儀表板管梁、擺臂等零件。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，一旦汽車車身采用液壓成型制造工藝進(jìn)行生產(chǎn)，其零件成本可降低11%。同時(shí)設(shè)備成本和車身質(zhì)量會(huì)分別降低14%和7.3%[3]。這對(duì)于汽車輕量化發(fā)展和節(jié)能減排具有重大影響。（該指標(biāo)由液壓成型技術(shù)開發(fā)商Vari.Form統(tǒng)計(jì)表來(lái)）

5.2 激光焊接技術(shù)應(yīng)用

激光焊接技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，高能量、高密度的激光是其焊接實(shí)現(xiàn)的主要熱源。在其應(yīng)用下，汽車焊接的效率得以有效提升，并且在焊縫深度比、熱輸入、焊接變形控制等方面具有突出優(yōu)勢(shì)。就目前生產(chǎn)而言，零部件、板材、車身是激光焊接應(yīng)用的三種基本形式。

6 輕量化車身的技術(shù)發(fā)展

新經(jīng)濟(jì)形態(tài)下，輕量化車身已成為其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。就技術(shù)發(fā)展過(guò)程而言，基于有限元分析的汽車拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，且應(yīng)用范圍不斷拓寬，要實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，從業(yè)人員就必須注重其多目標(biāo)、多學(xué)科設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化。同時(shí)，在輕材料應(yīng)用過(guò)程中，新型塑料及纖維復(fù)合材料不僅具有較高的經(jīng)濟(jì)性、更在穩(wěn)定性和質(zhì)量控制方面較為突出，確保了汽車輕量化材料高效應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。另外，在汽車輕量化工藝應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)零部件的輕量化發(fā)展是其重要的發(fā)展方向。只有實(shí)現(xiàn)這些因素的合理控制，才能確保其輕量化設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升，進(jìn)而滿足人們的生產(chǎn)生活需要。

7 結(jié)論

輕量化性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大影響。汽車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)人員只有充分認(rèn)識(shí)到車身輕量化的必要性，并在具體的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用和制造工藝等方面的保證，才能確保輕量化車身性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而推動(dòng)汽車節(jié)能減排工藝的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭暉，趙曦雅.汽車輕量化及鋁合金在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù)，2016（2）：1-6.

[2]肖勇，丁玉梅，秦柳，等.新能源汽車輕量化的關(guān)鍵技術(shù)[J].塑料，2016，45（2）：98-100.

[3]趙玉田.基于汽車輕量化設(shè)計(jì)的鋁銅合金性能研究[J].鑄造技術(shù)，2016（3）：521-523.