基于汽车轻量化目标的车身材料选择及结构优化策略

王东 韩夏冰 李亮

摘 要：随着国 VI 排放法规和双积分管理办法等政策的陆续出台，国家对汽车业提出了更为严苛的要求，汽车企业进行技术升级已迫在眉睫。在此背景下，汽车轻量化设计成为未来汽车业的重要发展方向。汽车轻量化是指在保证汽车刚度、强度以及安全性的前提下，尽可能减少整车整备质量，进而提高汽车动力学及续航里程等工作性能，降低燃料消耗及排放，实现低碳可持续发展。

关键词：轻量化;汽车车身;结构优化

0 背景介绍

研究表明汽车每减重10%，油耗可减少6%-8%，汽车整备质量减少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6L，汽车加速性能提高8-10%。针对燃油车，轻量化设计降低燃料消耗的同时还降低了污染物的排放，实现低碳可持续发展。关于新能源汽车，每减重10%，续航能力可增加5%-8%，纯新能源汽车每减重100kg，续航里程可提升10%-11%。因此我们要关注相关研究，可从以下几个方向开展。

1 汽车轻量化设计方向

（1）结构轻量化。目前将 CAD、CAE 等先进的结构优化和設计方法应用于汽车轻量化设计，可以降低成本、缩短设计周期，又可通过对汽车车身、车上零部件模拟仿真计算，使得各零部件的结构在满足使用要求的同时，更轻、更薄、更紧凑。同时，设计理念要更新，在保证汽车产品刚度强度的同时，可采用集成化设计、拓扑设计和等强度设计等方法，例如对发动机曲轴进行中空设计来减轻质量，在其主轴颈与连杆轴颈位置可采用空心结构设计、优化平衡重的数量、曲柄形状等方式达到轻量化设计的目的。此外，可对车上部件进行模块化设计，形成车辆集成技术。例如在增压发动机中，可对发动机缸盖和排气歧管进行集成，不仅可以对排气歧管进行冷却，同时可以减小排气管法兰等联结零件的尺寸，从而减小整机尺寸和质量。据数据显示，采用此设计方法，一台排量为 2L 的增压发动机可减小质量 2kg～ 3kg。

（2）材料轻量化。汽车轻量化不仅要求对汽车产品现有结构进行改进，对汽车材料也提出了一定的要求。现阶段发展以高强度钢和先进高强度钢技术为主，目前因其制造技术成熟，成本低廉，已经得到广泛应用，目前国际主流车型的高强度钢占车身的比例已达60%以上，我国车身使用比例平均在50%以上，预计未来可高达60-65%，零件以车身钢板和纵梁为主。2021 年 -2025 年将开发以钢铝合金为主线的轻型材料，同时加大对铝合金技术、镁合金技术、工程塑料技术、碳纤维复合材料技术的研发;铝合金质量轻、耐腐蚀、强度较高、易于加工、表面美观、回收成本低，目前在发达国家广泛应用。2026 年 -2030 年重点发展镁合金、工程塑料、碳纤维技术在汽车上的应用及其循环利用。镁合金具有很高的比强度和比钢度、吸振能力强、切削性性能好;复合材料密度小、设计灵活美观、易成型，可用在发动机罩、车顶、保险杠、仪表盘等内外饰及制动钳、传动轴、壳体等零件上。工程塑料是一类可以作为结构材料，在较宽的温度范围内承受机械应力，在较为苛刻的化学物理环境中使用的高性能的高分子材料，主要包含ABS、尼龙、聚碳酸酯等，工程塑料的轻量化效果显著，成本较低，在汽车多种零部件中被广泛使用，碳纤维复合材料和玻纤增强复合材料在发展阶段，在今后的一段时间内，研发高强度、轻质材料是汽车轻量化研究领域的一个重要方向。

（3）工艺。工艺方面可采用先进成型工艺，提升零件性能，获取更大的减重空间。目前轻量化工艺有激光拼焊、辊压成形、高强度钢热成形、内高压成形、RTM、中空注塑、低压发泡和局部增强嵌件等。

2 汽车车身轻量化发展趋势

（1）多材料综合优化使用。1）铝合金。铝合金在轴向载荷作用下会产生渐进叠缩稳态变形，比吸能远远高于低碳钢结构。铝合金作为缓冲吸能元件，在碰撞安全性方面有明显的优势，而且应用于车身时，由于质量降低，碰撞时产生的动能减小，所以其在汽车上的应用呈现连续增长趋势。2）镁合金。镁合金的弹性较弱，在同等的受力情况下会发生较大的变形。所以，使用镁合金材料时，要提高镁合金板材的厚度或者重新设计板材结构。3） 碳纤维复合材料。碳纤维是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。碳纤维质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、韧性强的特性。碳纤维可用于车顶、保险杠、座椅骨架、仪表板等零部件中，但是由于其成本较高，主要用于结构件和承载零部件，更为发挥其比刚度和比强度高于钢材的特性，一般用于高端车型。4）多孔材料。目前人们制造出各种各样的用于能量吸收的轻质多孔材料，如泡沫材料、蜂窝材料等。蜂窝材料用作吸能材料，具有明显的方向性，用于各种夹芯板和薄壁填充管具有突出的优势。泡沫材料可分为开孔泡沫材料和闭孔泡沫材料两种。其中，开口材料的抗压性总体优于闭孔材料。开孔材料又可以分为金属材料和非金属材料两种。金属泡沫材料，尤其是泡沫铝，密度小、变形能力大、比吸能好，具有均匀稳定的能量吸收特性曲线，是非常理想的能量吸收材料。但是，泡沫铝含有空隙而且强度较低，在受到拉、压、扭转时容易发生断裂破坏，而且破坏后不容易保持完整，故而一般将泡沫铝作为薄壁管的填充材料。非金属泡沫材料多用作汽车内部装置，作为装饰材料和承重架中间的缓冲物。

（2）成型与连接技术的发展。采用新的生产工艺和连接工艺，如高强度钢辊压成型、镁铝合金精密成型、激光拼焊、铆接、粘接、铝点焊、热融自攻丝和钢铝IW连接等。利用有限元法对现有的车身进行优化设计，利用计算机仿真技术，提升车身的各种性能指标。

3 结语

汽车轻量化不仅可以提升燃油经济性，减少排放，还可改善汽车整车的综合性能。汽车轻量化势在必行也迫在眉睫，这也将进一步促进汽车工业领域的变革。当前一些新兴技术在汽车设计制造中的应用还不够成熟，无论是轻量化结构的设计、轻量化材料的研发，还是先进制造工艺的改进和升级，都将成为今后汽车轻量化设计制造领域的重要研究方向。

参考文献：

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[2]陈俊.汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径研究[J].花炮科技与市场，2018（04）：200.

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