摘要：轻量化是汽车节能减排的重要技术路径，车身轻量化相比其它性价比更高。文章探索了车身轻量化的技术路线，该技术路线通过轻量化设计、轻量化材料和轻量化工艺来实现。通过此方法的研究并在实际项目中得以应用，实现了在满足性能要求的情况下降低车身重量的目的，使车身轻量化技术水平和车身开发能力得到提升。
关键词：汽车车身；轻量化；设计方法；探析
1汽车车身轻量化设计的基本方法
1.1结构优化设计
优化设计主要将原有系统设计为带有变量的数学模型，通过变量的选取来实现设计要求，并使设计满足约束条件。结构优化设计主要包括形貌优化设计、拓扑优化设计和尺寸优化设计这三种方法。从结构拓扑优化方面来讲，设计人员需要了解结构的振动特性、静动态特性等性能，进而对结构进行拓扑优化设计。而结构的拓扑优化最大特点就是在设计之前，运用一定受力条件和外界条件就能够找出结构材料的最佳分配方案，进而得到结构的部分参数，为后续设计提供条件。从结构形貌优化设计方面来讲，形貌优化设计主要目的是寻找最佳的结构形状设计方法。例如，在设计车身钣金件形貌的时候，可以采取最佳加强筋布置方案，在减小钣金件质量的基础上增强钣金件的刚度和强度。
1.2有限单元分析技术
有限单元分析技术是当前工程问题分析的有效手段，主要通过计算矩阵对每一步过程进行计算，能够将显示的工程问题转化为数学问题进行分析和解决。而有限单元分析技术在解决复杂工程问题的时候需要设置很多条件，计算时间较长，对计算机硬件设备和有限单元分析软件提出了更高的要求。
1.3新型材料的应用
新型材料的应用能够加快汽车车身的轻量化设计。然而，新型材料的应用会增加车身制造的成本，如果想要降低车身的质量，实现轻量化设计可以选择纤维复合材料。具体来讲，汽车车身轻量化设计主要在发生在开发设计阶段，对车身概念、车身动静态刚度、车身碰撞安全性等进行设计。其中，新型材料主要包括铝合金、塑料、镁合金等低密度材料和高强度钢等高强度材料。在运用新型材料的时候应充分考虑新型材料的其强度、刚度、成本、回收利用优势等。目前，汽车车身设计仍然主要使用钢材。而高强度钢具有较高的拉伸强度和较大的屈服强度，能够增强汽车车身的吸收能量能力和抗变形能力，优化汽车车身的动态性能，降低车身质量，实现车身轻量化设计。同时，高度钢的固有频率、动静态刚度以及碰撞安全性与其他材料相比有着巨大优势，已经成为汽车车身轻量化发展的重要方向。另外，镁合金的加工性能较高，减震性和抗凹性突出，在汽车车身轻量化发展中有着良好的应用前景。然而，由于镁合金容易被腐蚀、回收成本和制造成本较高，镁合金在当前汽车车身轻量化设计应用仍然有较大的问题。
2基于灵敏度的汽车车身轻量化设计的方法
2.1车身灵敏度分析
灵敏度分析是汽车车身轻量化设计的重要方法，能够定量计算汽车车身设计的安全系数和余量，并估算汽车车身结构修改所要达到的效果，进而节省设计时间，提高汽车车身轻量化设计的经济效益。
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2.2基于灵敏度分析的车身设计的原则
首先，基于灵敏度分析的车身轻量化设计应将车身的物理问题转化为数学问题，运用数学手段来实现车身轻量化设计。为此，设计人员应合理选取设计变量，确定问题所使用的函数和问题的约束条件。其次，基于灵敏度分析的车身轻量化设计应将物理问题转化为数学模型，通过求数学模型极值来解决汽车车身设计问题，找出汽车车身灵敏度分析的设计变量、目标函数、约束条件等要素。具体来讲，设计变量的选择要能够影响目标函数值和计算效率，尽可能少地选取变量个数。再次，设计变量之间应互不干涉，使设计变量处于一定的变化范围之内。并且，灵敏度分析要充分考虑汽车车身的设计条件，将设计条件进行分类，在分类的基础上进行分析。最后，目标函数的选择应选取与汽车车身设计变量相关的函数，确保通过函数能够得到汽车车身轻量化设计的结果。
2.3基于灵敏度分析的汽车车身轻量化设计的流程
在进行汽车车身轻量化设计的时候，要确保汽车车身的性能符合汽车车身设计的标准和要求。尤其在灵敏度分析的时候，要将车身钣金厚度作为变量，将车身扭转刚度、弯度、第一阶模态等作为设计的约束条件，以最小车身质量为设计目标对汽车车身进行轻量化设计。同时，在轻量化设计过程中，设计者要充分考虑零件厚度变化对钣金冲压成本的影响，确保最小的制造成本增加。
3基于碰撞安全性的车身轻量化设计
3.1建立整车碰撞有限元模型
从单元类型方面来讲，设计者可以将汽车车身钣金件选用壳单元作为单元类型，在模拟碰撞刚性圆柱的时候对刚性材料赋予薄壳单元进行碰撞圆柱模拟。从模拟材料方面来讲，模拟材料直接影响着模拟结果的可靠性。设计者可以根据普通钢和高强度钢材料的密度、泊松比、弹性模量、拉伸强度、屈服强度等参数进行碰撞模拟。从侧面碰撞圆柱的确定来讲，设计人员应按照我国发布的《汽车侧面碰撞乘员保护标准》确定碰撞模型。从接触方面来讲，汽车侧面碰撞模拟通常采用自动接触的方式。这是因为自动接触能够了解设备模型单元壳的厚度，并在接触过程中按照壳厚度进行处理。
3.2轻量化设计的不同方案
在碰撞安全性方面，笔者设置了三种不同的碰撞方案，并对这三种方案进行了比较。第一种是在轻量化设计之前对车身进行有限元模型设计，第二种是通过修改车身钣金零件厚度构建限元模型，第三种对高强度钢轻量化车身进行设计。从节点侵入量方面来讲，第二种放慢的节点入侵量会在某一时段略高于第一种方案，说明轻量化设计之后，车身碰撞安全性符合要求，安全性能下降很小。第三种方案的节点入侵量在大多数时间段内都小于第一种方案，这说明高强度钢的运用不仅能够实现车身轻量化，而且增强了车身的碰撞安全性。
4结语
通过轻量化技术路线开发实践，使得产品轻量化系数不断提升。同时，随着汽车轻量化成为当前国家汽车工业的发展战略和现代汽车工业技术的发展方向，以及电动汽车的蓬勃发展，轻量化任务将更加艰巨。设计方法、轻量化的材料选用以及先进的成型和连接工艺等基础学科必将继续创新迭代，不断应用到新产品中，为节能减排、造福社会做出更大贡献。
参考文献
[1]郎勇.车身轻量化技术[J].汽车实用技术,2018(05):104-108.
[2]骆建丽,陈晓锋,李程,李建华,高增辉.汽车车身轻量化管理要点与思考[J].汽车实用技术,2017(19):209-210+216.
论文作者:计金民, 江方安
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第05期
论文发表时间:2019/7/31
标签：车身论文; 轻量化论文; 汽车论文; 灵敏度论文; 变量论文; 结构论文; 优化设计论文; 《科学与技术》2019年第05期论文;