面向汽車輕量化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)研究

殷勤勤　戎盼盼　郁濤　崔強(qiáng)

摘 要：在國家快速發(fā)展的過程中，國民生活的質(zhì)量和水平顯著提高，進(jìn)而人們對汽車的需求不斷增多，同時對汽車的功能以及使用感受等方面提出來新的要求。尤其是要推動汽車的設(shè)計向著輕量化的方向發(fā)展。本文以面向汽車輕量化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)研究為例，分析汽車設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，采取相應(yīng)的措施，保障設(shè)計的結(jié)果，提高汽車的質(zhì)量和使用效果，為國民的生活和出行提供極大的便利。希望本文的分析，可以為同行工作者提供借鑒經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵技術(shù) 汽車 研究 輕量化設(shè)計

隨著汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，促使汽車的設(shè)計逐漸向著輕量化的方向發(fā)展。但是在設(shè)計的過程中，卻存在一些問題，影響輕量化設(shè)計的進(jìn)行，影響汽車的質(zhì)量和使用效果，同時也是不利于汽車行業(yè)發(fā)展。因此，就要對汽車輕量化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，采取相應(yīng)的實行措施，保障輕量化設(shè)計的目標(biāo)得以實現(xiàn)。通過這樣的方式，保障汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，同時提升汽車的功能和質(zhì)量以及使用效果，滿足國民的需求，提升國民的生活質(zhì)量，推動國家經(jīng)濟(jì)實力顯著提高。

1 汽車輕量化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 多學(xué)科的輕量化技術(shù)

在對汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計的過程中，需要借助力學(xué)和空氣動力學(xué)以及控制貢獻(xiàn)還能，還有人機(jī)工程等專業(yè)的助力?？梢詮钠囌w結(jié)構(gòu)的角度來看，其中有整車和車身以及零部件等順序進(jìn)行分析，其中主要從整體結(jié)構(gòu)的方面入手，要求輕量化設(shè)計要包括耐撞性和NVH以及疲勞壽命等多個方面的要求。因此，在進(jìn)行汽車輕量化設(shè)計的過程中，要借助多個學(xué)科，使其可以進(jìn)行融合，進(jìn)而實現(xiàn)對汽車輕量化綜合和系統(tǒng)性的設(shè)計目標(biāo)。但是在實際的設(shè)計過程中，因為研發(fā)機(jī)構(gòu)過度重視單個技術(shù)的研究和發(fā)展，導(dǎo)致技術(shù)交叉和融合的效果有限，難以為汽車輕量化的設(shè)計提供助力。所以就要重視多學(xué)科的輕量化技術(shù)的發(fā)展，為汽車質(zhì)量的提升奠定基礎(chǔ)[1]。

1.2 多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計

眾所周知，汽車擁有較為復(fù)雜的系統(tǒng)，所以在進(jìn)行輕量化設(shè)計的時候，不但要考慮多個學(xué)科的影響，還要對設(shè)計過程中可能會遇到問題的解決方案進(jìn)行評價，這也就是我們所說的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。主要可以從兩方面入手：一方面， 選擇新材料進(jìn)行設(shè)計的時候，要想達(dá)到減輕重量的目標(biāo)，就會使用價格較高的材料，這樣雖然可以實現(xiàn)減重的目標(biāo)，但是成本卻增加了，因此。這個方式對于看重成本控制的企業(yè)來說，是極其不好的。在這個因素的影響下，就要在設(shè)計的過程中，尋找重量和成本價格的平衡點;另一方面，汽車內(nèi)部空間的大小，為了實現(xiàn)輕量化的目的，可能在設(shè)計的時候，就會導(dǎo)致部分零件影響內(nèi)部空間的大小。因此，在設(shè)計的過程中，就要重視輕量化與內(nèi)部空間大小的問題之間的平衡。在這些因素的影響下，在進(jìn)行汽車輕量化的設(shè)計過程中，就要重視多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的進(jìn)行，以此保障汽車的性能，實現(xiàn)設(shè)計的意義，滿足客戶的需求。

1.3 近似模型和尋優(yōu)算法

在面對汽車輕量化設(shè)計的過程中，要重視計算零件和整車各方面的性能參數(shù)。在對各個學(xué)科進(jìn)行計算和制作分析模型的時候，會出現(xiàn)多個耦合變量，這就需要多個優(yōu)化迭代步驟。但是多次使用這個步驟，會導(dǎo)致計算過程變得更加復(fù)雜，進(jìn)而影響最優(yōu)效率的尋找速度和結(jié)果。所以在進(jìn)行設(shè)計的時候，經(jīng)常會使用近似模型的方式進(jìn)行代替。其中常用的有多項式響應(yīng)面模型和克里金響應(yīng)面以及移動最小二乘響應(yīng)面。之后就要對近似模型進(jìn)行優(yōu)化，其中主要使用多學(xué)科可行方法和協(xié)同優(yōu)化算法以及BLISS等優(yōu)化方法，同時還會使用多目標(biāo)遺傳算法等進(jìn)行尋優(yōu)，以此保障設(shè)計的結(jié)果，推動汽車的發(fā)展。

2 保障汽車實現(xiàn)輕量化的措施

2.1 借助輕量化工藝實現(xiàn)

在汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計的時候，需要借助輕量化的工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及新型材料等方面的助力。但是在實際的設(shè)計過程中，當(dāng)汽車生產(chǎn)公司以結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式去設(shè)計零部件的時候，雖然可以實現(xiàn)輕量化的目的，但是使用舊的工藝進(jìn)行生產(chǎn)時，卻會出現(xiàn)不能滿足國家發(fā)展需求的問題，因此，就要使用新型的制造技術(shù)。并且在使用新型材料進(jìn)行零部件設(shè)計的時候，因為零部件本身就是需要特殊方式進(jìn)行制造和焊接的，所以，可以更好地實現(xiàn)輕量化設(shè)計的目的。因此，在這些因素的影響下，使得輕量化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和新材料研究者提供助力，使其可以更好地為汽車質(zhì)量的提升奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而推動汽車行業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)如今，主要從零件成形性上和制造工藝這兩方面進(jìn)行改革和創(chuàng)新。其中成形性上主要借助CAD/CAE/CAM等技術(shù)，促使沖壓模具設(shè)計水平和零件質(zhì)量顯著提升。同時主要使用的新型成型技術(shù)有連續(xù)擠壓變截面型材和激光焊接板技術(shù)以及高強(qiáng)板的熱成形技術(shù)，為汽車的制造和生產(chǎn)提供極大的助力[2]。

2.2 以優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)的方式去實現(xiàn)

優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)主要從白車身以及子系統(tǒng)零部件等方面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。其中它的結(jié)構(gòu)任務(wù)就是以滿足工藝要求為基礎(chǔ)去對結(jié)構(gòu)形狀以及尺寸進(jìn)行設(shè)計。因此，把汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化分為尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化。尺寸優(yōu)化：對截面和零件厚度進(jìn)行設(shè)計，要滿足多種性能的目標(biāo)要求;形狀優(yōu)化：優(yōu)化零件的重量和內(nèi)部受力的均勻性，這種優(yōu)化是一種在生物學(xué)增長規(guī)律為基礎(chǔ)上而形成的數(shù)值優(yōu)化方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化擁有研發(fā)成本少和更能實行輕量化效果的優(yōu)點，也是被汽車生產(chǎn)廠家喜愛的原因。因為正常情況下，應(yīng)有輕量化材料的應(yīng)用需要的研發(fā)周期長以及較高的研發(fā)成本。但是結(jié)構(gòu)輕量化可以促使汽車的各個部分得以優(yōu)化和升級，進(jìn)而可以更好地滿足國民的需求。

2.3 使用多種新型材料其實現(xiàn)汽車輕量化

使用新型材料去實現(xiàn)汽車輕量化就是對汽車整體進(jìn)行合理化匹配的過程中。因為不同材料擁有不同的性質(zhì)，但是在使用的過程中，其中可能是蘊含著共通的屬性，也可能是獨立的材料屬性。所以在輕量化設(shè)計的過程中，就要既保障結(jié)構(gòu)應(yīng)用的性能，還要針對不同材料的多種屬性變量進(jìn)行設(shè)計，以盼可以實現(xiàn)其快速并且有效的優(yōu)化。尤其是要中材料的彈性模量和屈服輕度以及應(yīng)力應(yīng)變曲線等內(nèi)容，若是單獨作為變量進(jìn)行設(shè)計，就會導(dǎo)致優(yōu)化計算呈現(xiàn)非常復(fù)雜的狀態(tài)，并且變量較少的話也許還會導(dǎo)致優(yōu)化出來的材料屬性變量所指代的材料類型不具有唯一性。在對汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計的過程中，主要使用輕質(zhì)的金屬材料和非金屬材料。357B4163-A6FE-4D75-AE92-75252C7459B8

一方面，輕質(zhì)金屬材料有高強(qiáng)度板和鋁合金以及鎂合金等。首先，高強(qiáng)度剛擁有以下幾方面的優(yōu)勢[3]：①強(qiáng)度高和經(jīng)濟(jì)性好的特點;②還擁有屈服度高的特點，可以有效地減少料板薄而出現(xiàn)的拉裂現(xiàn)象，以此來實現(xiàn)輕量化的目的，可以有效的設(shè)計出更加輕薄的汽車零件。③耐撞性顯著提高，可以在汽車發(fā)生碰撞的時候去吸收撞擊力，以此達(dá)到保障駕駛?cè)藛T安全，提高汽車安全性能的目的。④它還擁有較好的耐腐蝕性能，可以有效地增加汽車零件的使用年限，進(jìn)而提高汽車的使用效果。其次是鋁合金，它的特點是密度小和耐銹蝕性能較好以及可以回收，還有導(dǎo)熱性較好等優(yōu)點，但是也存在以下幾方面缺點：①鋁合金材料缺乏相應(yīng)的延伸率，并且鋁合金的彈性模量也是較低;②鋁合金的承載能力較差，會出現(xiàn)凹性能差的問題，如果把它當(dāng)作外覆蓋件的材料，一旦接觸到外力，在外力的作用下，就會增加零件出現(xiàn)表面凹坑和凸起等缺陷的概率，最終對零件表面的質(zhì)量產(chǎn)生影響;③鋁合金零件的焊接性能較差。所以在這些方面原因的影響，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍有限。最后是鎂合金，它的特征就是密度和阻尼減振性能好以及易加工，還有可回收性能強(qiáng)、和良好的導(dǎo)熱性能以及耐腐蝕性能。所以這種輕質(zhì)才可已經(jīng)被國內(nèi)外汽車制造的廠家廣泛地應(yīng)用在汽車制造的過程中。同時這種材料也被稱為“21世紀(jì)綠色工程材料”。而且這種材料可以承受劇烈的振動，因此非常適合用在振動噪聲而導(dǎo)致疲勞的零件之中。另外，鎂合金材料是屬于特別容易加工的一種，這種材料的加工能耗是鋁合金的一半，并且這種材料還是密度最低的和最輕的一種材料，又因為這種材料的價格較為昂貴，并且再生技術(shù)也不完善，所以這種材料雖然重要，但是應(yīng)有范圍有限。

另一個就是非金屬材料，其中包括塑料和復(fù)合材料等。其中塑料經(jīng)常被應(yīng)用在汽車的內(nèi)飾，如頂襯和儀表臺以及遮陽板，還有汽車上經(jīng)常觸摸使用的手柄和支架之上。這是因為塑料擁有密度小和成形性好以及良好的隔熱和隔音以及隔振性能。同時塑料的外觀以及觸感都是較好的?，F(xiàn)如今塑料還被用在前后保險杠上。另一方面由于塑料件具有良好的外觀和觸感。 塑料件還大量用作前后保險杠的材料。隨著國家的發(fā)展，復(fù)合材料逐漸興起和應(yīng)用，尤其是有機(jī)纖維可以都是復(fù)合材料的強(qiáng)度性能得到增加，有時可以用來代替鋼板材料，以此實現(xiàn)降低零件重量的目標(biāo)。同時還可以使用碳纖維去提升復(fù)合材料，進(jìn)而去制作懸架系統(tǒng)的零件，以此保障汽車輕量化設(shè)計的效果，推動汽車行業(yè)的發(fā)展[4]。

3 結(jié)束語

綜上所述，汽車輕量化設(shè)計是時代發(fā)展的趨勢，更是國民生活水平和質(zhì)量提升的要求。因此，在國家發(fā)展的過程中，就要對汽車輕量化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的措施，保障設(shè)計的結(jié)果，提高汽車行業(yè)的發(fā)展速度。通過這樣的方式，實現(xiàn)國家汽車行業(yè)快速發(fā)展的目的，滿足國民的需求，進(jìn)而為我國建設(shè)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國和和諧社會奠定基礎(chǔ)。

項目：安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院雨耕學(xué)院項目式人才培養(yǎng)計劃（yg202004）。

基金項目：安徽省高校自然科學(xué)研究重點項目（KJ2021A1520）主管單位：安徽省教育廳。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏振洋.汽車輕量化技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].汽車工程師，2020，No.283（11）：13-14+21.

[2]鄧江華，董俊紅，孫健穎，等.電動汽車關(guān)鍵聲學(xué)包輕量化設(shè)計及性能穩(wěn)健性分析[J].噪聲與振動控制，2019，39（2）：90-94.

[3]李永湘，許天輝，王光艷.汽車車門輕量化設(shè)計研究現(xiàn)狀及其技術(shù)措施[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019，280（2）：33-34.

[4]秦祥春，劉陽，張國強(qiáng).專用汽車與輕量化技術(shù)趨勢的研究[J].區(qū)域治理，2019，（3）：172-172.357B4163-A6FE-4D75-AE92-75252C7459B8