多材料結(jié)構(gòu)汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)研究

田 萌

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

1 車身輕量化設(shè)計(jì)研究的背景及意義

十九世紀(jì)初，在美國的亨利福特將汽車生產(chǎn)方式改成流水線的生產(chǎn)方式之后，美國同年的汽車生產(chǎn)率提高了十幾倍，并且價(jià)值從最先近千美元直降到三百美元。從那以后，汽車對每個(gè)美國人來說就不再是稀有物品，而是家家戶戶都可以擁有的交通工具。自此，汽車產(chǎn)業(yè)也逐漸成為全世界經(jīng)濟(jì)來源的主要產(chǎn)業(yè)。然而，大量的汽車使用也導(dǎo)致環(huán)境污染問題和能源緊張趨勢。自汽車大規(guī)模生產(chǎn)投入使用后，全球的石油需求與石油供給出現(xiàn)嚴(yán)重的不平衡，油價(jià)增長成為無法避免的趨勢，并且汽車尾氣排放導(dǎo)致的環(huán)境問題，如：溫室效應(yīng)，臭氧破壞等，使行業(yè)內(nèi)人員思考如何繼續(xù)優(yōu)化汽車性能，減少能源的損耗以及對環(huán)境的污染問題。而本文研究的車身輕量化就是降低燃油消耗，減少廢氣排放的有效措施之一。

2 車身輕量化的主要途徑

車身輕量化主要途徑包含三個(gè)方面：第一，是對車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；第二，在材料方面使用輕量化材料，來實(shí)現(xiàn)車身的減重；第三，利用先進(jìn)的工藝技術(shù)以及器件銜接工藝也能實(shí)現(xiàn)車身輕量化。首先，在車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，主要是指在前期還未投入生產(chǎn)時(shí)，通過計(jì)算機(jī)的CAD/CAE等科技數(shù)值模擬技術(shù)對車身進(jìn)行分析，再利用現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對車身的優(yōu)化，減少不必要的材料使用，盡量使器件的使用達(dá)到小型化甚至中空，達(dá)到減輕車身重量的目的。其次，使用輕量化材料，這是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要手段之一，目前在全世界使用較多的輕量化材料有鋁合金、鎂合金、塑料以及合成材料等，然而，由于鋼材材料的各種優(yōu)越性能，不管是在剛度還是強(qiáng)度以及回收利用等方面，使得其仍然是目前使用較為廣泛的汽車制造材料。最后，優(yōu)化生產(chǎn)制造工藝，只要是靠器件的部件，部件之間的連接多是以焊接的方式，因此在焊接方面可使用現(xiàn)在的激光焊接技術(shù)來提高部件之間的強(qiáng)度，從而減輕車身重量。

3 汽車車身輕量化的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

本文以汽車車身為研究對象，研究如何將合適的材料用于合適的部位，綜合考慮車身結(jié)構(gòu)性能、質(zhì)量及成本，研究多材料車身輕量化的設(shè)計(jì)方法。通過闡述汽車車身輕量化的研究背景及意義，分析汽車車身輕量化的研究及發(fā)展現(xiàn)狀，討論車身輕量化的重要性，繼而介紹多材料輕量化車身的概念，指出對材料輕量化車身設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入研究的重要性。重點(diǎn)對汽車車身結(jié)構(gòu)性能分析，計(jì)算靈敏度，闡述汽車車身結(jié)構(gòu)性能的基本理論以及在這個(gè)基礎(chǔ)上建立起一系列的數(shù)學(xué)分析模型和汽車正面碰撞的有限元模型，計(jì)算和分析車身的剛度和正面碰撞性能，并且從車身多材料的角度，對車身進(jìn)行合理的分解剖析計(jì)算，對所研究的車的車身結(jié)構(gòu)狀況作出詳盡介紹，為后續(xù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)的車身分析。

3.1 輕量化車身結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化技術(shù)

自21世紀(jì)以來，新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展給眾多行業(yè)帶來了質(zhì)的變化，結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化技術(shù)日趨成熟，并且在車身設(shè)計(jì)上應(yīng)用，使設(shè)計(jì)成本減少及縮短車身結(jié)構(gòu)的開發(fā)周期成為可能，避免了設(shè)計(jì)的盲目性。這種以有限元方法為主體的車身結(jié)構(gòu)分析方法成為車身優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的主要分析手段。在早期的車身優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析，主要是依靠數(shù)學(xué)理論和有限元方法相結(jié)合，利用數(shù)學(xué)計(jì)算方法構(gòu)建車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，然而隨著結(jié)構(gòu)能力和手段的不斷發(fā)展，以及現(xiàn)代理論的不斷完善，車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的范圍已從剛度以及模態(tài)這一層面過渡到結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化的設(shè)計(jì)。在這個(gè)過程中，有限元方法與計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，成為車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效方法。

汽車車身結(jié)構(gòu)分析，以車身各個(gè)配件為對象，進(jìn)行材料優(yōu)選，然后綜合分析。汽車的車身本體包括支柱、梁以及加強(qiáng)板等各個(gè)部位，包括車身覆蓋件。所謂的車身覆蓋件主要指車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的板件和支撐起車身結(jié)構(gòu)零件的總和。而梁和支柱作為車身的主要車身結(jié)構(gòu)，構(gòu)成車身的框架結(jié)構(gòu)，使車身形成一個(gè)完整的封閉體。

本文研究的車身設(shè)計(jì)，以全載乘式車身為研究對象。全載乘式，即要求在使用的過程中，包括扭轉(zhuǎn)、彎曲以及碰撞過程中高輕度負(fù)荷下，車身結(jié)構(gòu)仍能按照預(yù)期的情況變形減速為乘員提供一個(gè)安全的生存空間和保證乘坐室的完整。

圖1 承載式車身結(jié)構(gòu)圖

承載式車身的汽車在平直路上行駛很平穩(wěn)且固有頻率低、噪聲小、重量輕，廣泛應(yīng)用于轎車上。當(dāng)然底盤的強(qiáng)度是不及有大梁結(jié)構(gòu)的非承載式車身，在車的四個(gè)車輪受力不均勻時(shí)，車身會(huì)發(fā)生變形。

圖2 車身材料結(jié)構(gòu)示意圖

并不是車身所有的材料強(qiáng)度越高越好，具體要根據(jù)部件。如駕乘室的框架，為了使駕車室的空間盡量不變形，保證駕乘人員安全，就必須采用高強(qiáng)度的材料。如車前和尾部的材料（如引擎蓋板、翼子板等），為了能夠吸收撞擊力，可以使用強(qiáng)度相對較低的材料。

3.2 輕量化材料及其在車身制造中的應(yīng)用

目前，隨著國內(nèi)外企業(yè)公司對車身材料的研究，使得鋁鎂等合金的使用日益增加，鋁合金以及鎂合金的優(yōu)越性能成為車身材料的首先選擇。隨著政府及民眾對汽車能源及環(huán)保方面的要求逐漸增高，出現(xiàn)一些新的車身材料的研究，主要有高強(qiáng)度鋼材料在車身中的運(yùn)用。從最先的高強(qiáng)度鋼研發(fā)出來的到后期超高強(qiáng)度鋼材料在車身上的應(yīng)用。高強(qiáng)度鋼材料，無論是在減少車身重量還是提高汽車碰撞安全性，都是首選的，都已取得良好的輕量化效果。而在車身制造中的應(yīng)用，主要包括車門，車門外板甚至是車輪，都采用了高強(qiáng)度鋼材料。而鋁合金材料由于良好的機(jī)械性能以及耐腐蝕性能，導(dǎo)熱性能和回收性，其在車身輕量化中的應(yīng)用主要在車身內(nèi)板和外板上。

3.3 基于多材料的輕量化車身

針對車身的面料結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)性能的分析，在面向輕量化的車身板殼設(shè)計(jì)部件選材與設(shè)計(jì)方面，主要以車門的設(shè)計(jì)和選材為例，針對大型板殼類部件的材料選擇方法展開研究。此外在車身材料與結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，建立系列的車身材料與結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立起約束方程，提高有限元的計(jì)算次數(shù)，采用多目標(biāo)的遺傳算法求解。

輕量化材料的優(yōu)越性能使得其成為優(yōu)化車身以及減輕車聲質(zhì)量的首要選擇材料，但是由于其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通車身材料，如低碳鋼材料，導(dǎo)致由輕量化材料車身的成本比現(xiàn)有的鋼的成本高很多，高額的成本也是目前阻礙鋁合金、鎂合金以及復(fù)合材料等輕量化車身廣泛應(yīng)用的重要原因。由此，將鋼材料以及輕質(zhì)材料共同結(jié)合使用優(yōu)化車身的多材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，成為今后車身發(fā)展的主要方向。由于車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致組成車身零件的選擇也多種多樣，且消費(fèi)者對車身各個(gè)部件的性能要求都不一樣，使得多材料輕量化車的設(shè)計(jì)成為可能。將合適的材料用在合適的部位，這就是多材料結(jié)構(gòu)車身設(shè)計(jì)的核心思想。分析的過程中較多地采用數(shù)學(xué)模型與數(shù)據(jù)和圖像相結(jié)合的方法，分析車身結(jié)構(gòu)性能的最優(yōu)化并且將車身分解為兩大類，對這兩大類也進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析以及 適用材料最優(yōu)分析，另外，以汽車的車門為研究對象，分析了汽車車身的材料選擇，尋找合適的材料。多材料的車身設(shè)計(jì)研究結(jié)果表明，相對于單一材料結(jié)構(gòu)車身，將合適的材料運(yùn)用在合適的部位，就是實(shí)現(xiàn)較好的汽車車身輕量化效果與單一的材料車身相比較，對材料結(jié)構(gòu)車身能夠?qū)⒚恳环N材料分配在其合適的部位，充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，在滿足各零件部位性能的前提下，以最小的代價(jià)獲取更大的輕量化效果。

綜合多方面的車身因素，對多材料結(jié)構(gòu)汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)研究，可以通過多方面的理論知識與數(shù)學(xué)模型建立分析結(jié)構(gòu)，針對車身的基礎(chǔ)問題分析，作出優(yōu)化方案最后進(jìn)行車身輕量化設(shè)計(jì)前后對比，將車身輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果綜合分析。

4 總結(jié)

汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)研究是目前各大汽車行業(yè)工程所要研究的主要課題之一，在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，也將性能和成本作為約束條件。而采用多材料車身則可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢，真正做到物盡其用，為每個(gè)零件選擇合適的制造材料，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)的組合，綜合發(fā)現(xiàn)問題所在。多材料車身設(shè)計(jì)對日后汽車行業(yè)的發(fā)展就具有鮮明的指導(dǎo)作用，也代表了今后車身結(jié)構(gòu)一種發(fā)展趨勢。