摘要：汽车轻量化是实现节能减排的重要措施之一，对汽车工业的可持续发展具有重要意义。目前汽车轻量化材料在车身上得到了广泛的应用，实现汽车轻量化主要通过采用轻量化材料及应用先进的工艺技术，轻量化材料不仅可以节能减排，也可以降低汽车研发成本。采用先进的工艺技术可以提高车身的安全性、耐久性。汽车轻量化材料成为汽车行业中替代钢材的一种趋势，先进的工艺技术为材料的不断更新提供稳定的发展基础。鉴于此，文章对轻量化技术在车身设计制造中的应用进行了研究，以供参考。
关键词：轻量化技术；车身设计制造；应用研究
1 汽车轻量化技术应用背景
实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3~0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。因此，在节能减排日益紧迫的背景下，汽车的轻量化已经成为当今世界汽车工业发展的潮流。汽车轻量化有效的节油的同时，还可以显著提升汽车的操控性、减少废气排放、降低噪音、增加安全性。
2 轻量化技术在车身设计制造中的应用研究
2.1 材料应用的轻量化
车身不同的部位对材料的刚度、强度等性能有着不同的要求，根据不同的需求采用不同的材料来达到所需的性能。而材料轻量化就是在保证性能满足要求的前提下采用质量较小的高性能材料代替原来所用的材料。比如用高强度钢材来代替厚重的普通钢材、大量使用铝以及铝合金的材料，这些材料的使用能在汽车碰撞时，有效的提高汽车车身刚度，车身抗冲击能力，同时有效的降低车身重量。目前主要的轻量化材料主要有高强度钢、铝合金、以及复合材料等。
2.1.1高强度钢
高强度钢是近年来应用在车身制造上的材料之一。它是依靠自身超高抗变形强度等级来减薄钢板厚度和质量，以此代替原本的普通钢材。出于研发效率、整车成本等因素，加上高强度钢的高性价比、成熟的制造技术和成型经验，使得更多车企在车身轻量化材料技术上更多的采用高强度钢。高强度钢主要用于车身的前防撞梁、下车体纵梁、中央通道、地板横梁、AB柱、车门防撞梁等驾驶乘坐舱关键部位。
2.1.2铝合金在材料应用
轻量化领域中，铝合金因其较低的密度、较高的比强度以及比刚度，较好的弹性和抗冲击性能、耐腐蚀性、耐磨性、高导电性、易加工成型、高回收再生性等优异性能，加上巨大的存量，使得它成为一种非常理想的汽车轻量化材料。铝合金的用量在汽车领域正逐渐增加，而且类型多样化，有成为未来车身主材的趋势。目前铝合金材料在欧美、日本等发达国家已经广泛应用。
2.2 制造工艺轻量化
2.2.1先进的制造工艺
目前比较先进的制造工艺主要有液压成型技术、TRB技术（差厚板技术）、热冲压成形技术等，其中值得一提的是有许多车型采用了TRB差厚板的工艺技术，这种技术通过工程师们对零部件的受力情况和结构进行优化分析后设计制造出一张具有不同厚度的板材，相比等厚度的板材，差厚板不仅减少了材料用量，同时还实现了力学性能的合理分布，在减轻重量的同时实现了力学性能的提高。
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2.2.2先进的连接工艺
先进的连接工艺主要有激光焊接技术、锁铆连接技术、结构胶粘接技术等，其中激光焊接技术日益成熟，广泛的应用到了各大汽车企业，从20世纪80年代开始，激光焊接技术开始运用于汽车车身制造领域。激光技术采用集中在聚焦装置中巨大能量的光束，使工件在瞬间熔化，从而实现焊接过程。激光焊接技术主要用于车身不等厚板的拼焊和车身焊接，对实现多种材料混合使用的轻量化车身有着很重要的作用。激光焊接主要用于车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧围的焊接，通过激光焊接技术提高车身的装配精度，使车身刚度提升30%，从而提高车身安全性；降低汽车车身制造过程中的冲压和装配成本，减少车身零件的数目，提高车身一体化程度，进而减轻车身重量。
2.3 结构设计轻量化
2.3.1汽车车身结构设计
目前汽车车身结构可分为：（1）非承载式车身：刚性好、安全系数高，但不利于轻量化，空间利用率低，制造、装配要求高；（2）承载式车身：轻量化、低成本、空间利用率高、利于批量化生产，但刚性、承载能力较弱；（3）半承载式车身：其特点是车身与车架用螺钉连接、铆接或焊接等方法刚性地连接，介于前面两者之间的结构形式。非承载式车身主要应用于越野车及载货要求较高的商用车。而承载式车身的轻量化及可空间利用率高的特点，被现代轿车所广泛使用。因此我们重点讨论承载式车身的轻量化结构设计。轻量化设计和碰撞安全性是分不开的，避开车身安全去谈轻量化设计将没有任何意义，车身的安全是轻量化设计的前提。车身的刚度分配是碰撞安全性的决定因素。在设计安全车身时，前后两端的刚度应低于中间乘坐舱的刚度，这样的设计有利于吸能。轻微碰撞时保险杠系统及其碰撞变形零部件能缓和冲击、吸收能量，降低损失。然而在发生重大事故时，设计要求乘员舱变形应尽可能小，给乘客保留有足够的安全生存空间。乘坐舱以外的部件，比如车身的前后舱，应尽量参与变形同时吸收和衰减冲击能量。在对车身实体结构的设计和布局时候，需要协调汽车各总成结构之间的配合，实现对汽车零部件的精简、整体化、轻量化。在此过程使用计算技术进行辅助设计：（1）使用轻质材料的零部件时，可借助计算机CAD技术实现零件的布局干涉分析和运动干涉分析、利用有限元法对零部件的结构力学性能进行分析和优化设计，从而使得所应用的轻量化材料既能达到车身轻量化的同时又能满足车身设计的各项需求。（2）使用CAD技术，可以快捷便利地实现零部件实体结构设计和总体布局设计，这包括对各零部件的形状、结构、板材厚度的变化、总体布置方案进行分析。
2.3.2零部件结构的优化设计
在车身零部件结构优化设计中，通常采用的优化方法有：（1）拓扑优化：在预定的设计区域，给定零部件结构内选择最优化的材料分布。现今广泛应用的连续体结构的拓扑优化方法有：变密度法、变厚度法及均匀化方法；（2）形貌优化：不改变材料特性，不增加零件整体料厚的情况下，解决零部件本身局部刚度或模态问题的方法。例如对加强筋的布置形式、方向以及位置深度等参数进行优化，只针对对零件局部形貌进行优化，零件本身结构、材料特性并不改变；（3）形状和尺寸优化：受仿生学的启发，这种方法采用一种建立在生物学自然规律基础上的数值计算方法，它是一种基于经验去模仿自然界生物体形态，利用有限元法研究自然界生物体增长载体（如骨骼、树木等）的力学特性。由此达到轻量化的前提下避免出现应力集中的效果：在承受高载荷的部位增加材料用量，减少承受低载荷部位的材料用量，使得零件应力均匀分布避免出现应力集中的现象，消除零件材料冗余或不足的情况从而达到材料“物尽其用”；（4）减重孔的优化设计：采用减重孔的优化设计，合理去除不必要的材料，从而达到零件轻量化效果
结论
综上所述，汽车轻量化推动了汽车制造业在成形加工和连接技术上不断创新。随着轻量化技术的发展，在材料、工艺、设计等方面已逐渐成熟。针对不同的产品，材料、工艺的混合结构设计，即同一总成的零件可由不同材料制造，以实现所用的材料与零件功能最佳组合，成为未来汽车设计发展的方向。
参考文献：
[1]刘文华，何天明.高强度钢在汽车轻量化中的应用[D].武汉：武汉理工大学，2008.
[2]孙景林，郭静.镁合金在汽车轻量化方面的应用[J].轻金属，2008，（7）：58-61.
论文作者:韩丙正
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/6
标签：车身论文; 轻量化论文; 材料论文; 汽车论文; 技术论文; 刚度论文; 零件论文; 《基层建设》2019年第25期论文;