摘要：随着世界各国对新能源汽车的政策，电动汽车轻量化的研究已经成为了汽车结构优化设计的重要组成部分，这也使得新型轻质材料开发和使用成为未来实现电动汽车轻量化的主要技术之一。本文介绍了轻质材料的性能及其在电动汽车轻量化中的应用实例，通过实例的 CAE 分析，证明了轻质材料能明显减轻整车质量，并能改善整车性能。
关键词：轻质材料；轻量化；电动汽车；节能环保
1前言
近年来世界各国越来越重视节能环保，汽车的轻量化、低成本和电动化成为研究的热点。其中轻量化是重点研究对象，轻量化是在确保性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱。据统计，整车总质量每增加 10％，油耗将提高 6％～ 8％。降低燃料消耗和减少排放已成为我国汽车工业持续发展所需解决的关键问题。
2电动汽车轻量化的发展
电动汽车具有清洁无污染、能量利用效率高、结构简单、使用维护方便等优点，成为未来主要的交通工具。电动汽车的一个重要指标便是续驶里程，已成为电动汽车市场化的关键 [3]，而提高电动汽车的续驶里程一个关键技术是轻量化。电动汽车轻量化不仅为环境保护、节能减排和石油安全等问题提供解决方法，还将推动我国汽车工业技术水平的提高。
本文介绍了轻质材料性能及其在电动汽车的车身、覆盖件、车门和电池上应用实例，进行整车正面 100% 碰撞分析，通过分析得出轻质材料能有效的减少电动汽车的质量，并能改善电动汽车的碰撞等相关性能，这也突现了轻量化技术与使用材料的密切关系。
轻量化在电动汽车上的实现是一项极其具有挑战的机械工程，汽车轻量化是集多学科、多行业于一体的完整的系统，涵盖设计方法、材料科学、制造工艺等领域 [4]，需各部门间密切合作，具有协调统一的整体优化目标。本文所设计的全新电动汽车轻量化平台车型特点：
①车身：全铝车身，采用复杂的截面设计、3D 精度弯曲及挤型工艺，保证强度、刚度及安全性；②覆盖件：采用高性能、低成本、轻量化的复合材料；③电池包：电池包与车身框架一体化设计，平台化的模组设计，重量更轻，开发成本更低；④工艺：冲焊涂总四大工艺缩减为焊装和总。
3轻量化实例
3.1镁铝合金与高强度钢的应用研究
车身主要部位采用高强度钢和变形铝合金，应用热成形和激光拼焊板等先进成型焊接方法，其他部位采用高强度塑料代替钢材，这样能有效减轻车身重量、增加车身强度以及保证驾驶员的安全。采用 6 系高强度镁铝合金型材、5 系高延伸率板材组成轻量化白车身总成，与传统钢制白车身相比可减重近 40%。通过 50KM/h正碰 CAE 分析，采用高强度铝镁合金的骨架满足碰撞强度要求。铝合金成型工艺采用传统的铸造、锻造冲压、冷挤压，还采用了空腔复杂截面挤压成型的新方法。车身结构的轻量化具有双重特性，一方面，通过轻量化技术可以提高车辆的动力性，降低成本，减少能源消耗；另一方面，该技术对车身的强度、刚度将产生影响，进而影响整车的使用寿命。如何协调这两个方面的影响对车身轻量化技术的应用非常关键。车身轻量化可通过轻量化的设计工程、制造工程和材料的选择来实现，这三者互相联系、互相制约，应根据实际情况平衡这三个方面，以制造出满足性能要求的轻量化车身。
3.2碳纤维材料应用研究
部分覆盖件及结构件采用碳纤维材料，含碳量在 95% 以上，高强度、高模量高分子复合材料；可分 PAN 基，沥青基，粘胶基，PAN 基占碳纤市场的 90% 以上，兼顾重量和强度。碳纤维材料性能特点：比强度高、比模量高；质轻、耐腐蚀、耐疲劳；热膨胀系数小、摩擦系数低、耐高低温、耐久性、可靠性高。主要应用位置：车门、后背门总成。
3.3 FRT 发泡树脂复合材料外覆盖件研究
FRT 发泡树脂复合材料与玻璃钢相比有相似或更好的性能，且密度小 30%；基础料厚 2.2mm；产品两面均可以到达 A 级表面；喷涂前无需表面处理。
3.4电池车身一体化研究
电池采用铝合金下壳体，非金属上壳体，结构上与车身一体化设计。电池包体：制造材料采用铸铝代替传统的钢材，应用铸造工艺，可以比传统电池包体减重 25% 以上；②电池包盖：制造材料采用玻璃钢代替传统的钢材，应用模压工艺，可比传统电池包体减重约38%。
4 车辆正面 100% 碰撞分析
上面对轻量化材料及其工艺在电动汽车上的应用实例进行了介绍，表明轻量化材料及其工艺能够有效的减轻电动汽车重量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆电动汽车的轻量化并不仅仅是减轻重量，而是在减轻质量的前提下能满足甚至改善电动汽车的性能，根据 GB11551-2014 乘用车正面碰撞的乘员保护，对某车型进行正面 100% 碰撞分析。
4.1 模型建立
运用三维建模软件建立电动汽车整车模型，将整车模型分为车身、底盘、电器三部分。
4.2 CAE 分析
整车压溃量在 42.0m/s 时达到最大值，最大值为 366.7mm。但后续随着时间的变化，压溃量逐渐降低，在安全压溃量范围内，这表明了所设计的轻量化吸能零部件能有效的消耗碰撞能量。
下面以 B 柱分析结果为例，对 CAE 分析进行描述。
通过 B 柱下端测点加速度分析结果可以得出 B 柱左右两边测点加速度达到最大值的时间非常相近，左侧最大值为 53.5g，右侧最大值为 53.8g。在正面碰撞过程中，电动汽车汽车左右两侧能在相似的时间内能吸收相近的能量，保证在碰撞过程中保持车身两侧变形一致，有效吸能。
通过 CAE 分析得到整车分析结果，正面碰撞分析中，整车加速度峰值小于目标值（，达到设计要求；前防撞梁、吸能盒及纵梁发生皱褶变形，吸能充分，变形模式较好；前围板入侵量、方向盘跳动量满足评价指标；门槛梁变形小，A 柱后移量及门框变形量均较小；前机舱主要部件吸能占总能量的 46.4%，吸能较充分。
利用CAE 技术优化设计汽车的结构，使零部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以及对零部件进行结构和工艺改进等以最大限度地减轻零部件的质量。以上两种途径是相辅相成的，必须采取材料替换与结构改进相结合的方法，才可能在保证汽车整体质量和性能不受影响的前提下，最大限度地减轻各零部件的质量。利用CAE 技术实现汽车轻量化有着传统设计手段不可比拟的优越性。
CAE 软件集成了有限元法、数值分析、优化设计、图像处理、工程管理学、人机智能工程等多种技术领域，是一种综合性、知识密集型信息产品，CAE 技术可以按目标分为静态分析、动态分析、可靠性分析和优化分析；根据研究对象的物理属性，CAE 又可以分为静力计算、动力计算、运动（干涉）计算、疲劳计算、热分析、流体分析、塑性分析及噪声分析等。运用优化设计的方法在满足设计、制造、使用的约束条件下，对产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行优化设计，使产品结构性能、工艺过程达到最优。
车身结构的轻量化对汽车节能和环保具有重要意义。据统计，客车、轿车和多数专用汽车车身的质量约占整车自身质量的40 %～60%。减轻汽车自身的质量，一方面节约了原材料，降低了汽车的生产成本，另一方面也降低了燃油消耗，有利于环保。随着计算机技术的发展，CAE 技术在车身轻量化设计上得到了广泛的应用。以下文献证明了车身设计轻量化的潜力。利用有限元法与拓扑优化方法对汽车车身的加强筋部分进行了优化，通过优化设计，把拓扑优化设计理论引入某电动改装车的承载式车身设计，利用先进的有限元分析软件，在电动改装轿车车身结构拓扑优化分析中实现了多工况、多状态变量条件下的拓扑优化设计，确定了下车身的最佳结构方案，进而在此基础上建立了新的有限元模型，并进行了模态、刚度和强度分析，设计出最终的下车身改造结构，优化后下车身质量为初始基本拓扑结构的10%。对优化后的车身骨架模型进行有限元分析，将其动、静特性参数与原设计作比较。研究表明，经拓扑优化后的车身大骨架各项特性参数指标均有不同程度的提高。优化后的车身刚度比原有的车身刚度提高了1.35 倍。优化后的车身质量比原有的车身质量减少了25.65%。
5 结论与展望
根据电动汽车的特点进行整车轻量化设计，设计出符合轻量化要求的新车型，电动汽车轻量化技术是未来汽车研究领域主要研究的方向，车身轻量化是纯电动汽车的一项重要研发项目，单纯的进行结构优化或者单纯的变更材料，虽然可以满足减重的目的，但并不是最佳的选择。镁合金及差厚板拥有诸多优点，采用镁铝合金作为车身材料，强化结构、优化工艺、优化制造技术，可以制造出弹塑性更好、质量更轻的电动汽车车身、电池包材。其理论研究及制造加工工艺正在日趋完善，镁合金材料将成为未来电动汽车中必须选择的轻量化材料，其发展将决定了未来汽车技术的发展方向。
参考文献：
[1]高云凯，邱娜，栾大齐，等 . PMMA 材料在车身轻量化方面的应用 [J]. 汽车技术，2013（3）：55-59.
[2]徐建全，杨沿平，唐杰，等 . 纯电动汽车与燃油汽车轻量化效果的对比分析 [J]. 汽车工程，2012，34（6）：540-543.
[3]宋永华，阳岳希等.纯电动汽车电池的现状及发展趋势.电网技术，2011，35（04）.
[4]王佳.纯纯电动汽车能量管理关键技术及高压安全策略研究[D].北京：北京理工大学，2014.
[5]李华伦.镁合金锻造轮毂和镁合金板材在汽车上的应用.中国有色金属报，2015，007
论文作者:李璐1,马志敏2
论文发表刊物:《防护工程》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/20
标签：车身论文; 轻量化论文; 电动汽车论文; 材料论文; 整车论文; 结构论文; 汽车论文; 《防护工程》2017年第15期论文;