多材料结构汽车车身的轻量化设计研究

汽车车身的轻量化技术问题，是目前世界各大汽车行业技术发展所要探讨的重点问题之一，在进行研制的过程中，往往需要以质量和降低成本为主要约束条件。而使用多种材质汽车就能够充分发挥不同材质的优点，切实做到物尽其用，对各种零部件选用恰当的加工材质，确定优化结构。多种材质汽车设计对于日后汽车行业的设计将有着明显的指导作用，它预示着今后汽车的设计总趋势。

1  汽车轻量化设计的概念及意义

汽车轻量化指的是在保证汽车强度、安全性的基础上，尽可能降低汽车的总质量，从而提升汽车燃油效率、降低污染物排放量。车辆轻质化技术的方式可以分为车体材质轻质化、车体构造轻质化这两个方式，通常情况下，全钢构造的汽车经过轻质化技术以后可以降低7%的效率，采用1D铝合金材质可以给车辆提供百分之三十到百分之五十的轻质化效率，使用活性炭纤维材质可以实现百分之五十以上的轻质化效果。轻量化材料的应用能够有效降低汽车的重量，但是轻量化的材料通常比较贵，尤其是碳纤维材料，其价格达到了30万元/吨，与普通低碳钢材料相比高出许多。由此可以看出，材料价格是制约汽车轻量化设计的重要因素，汽车厂商应该适当引入轻量化材料，不断优化汽车车身结构，创新使用新型汽车生产工艺，从而达到更好的轻量化设计效果。 

汽车轻量化设计是全世界范围内汽车设计生产的重要方向，与环保相比有着同等重要的地位。如今全球范围内的能源短缺问题越来越严峻，人类赖以生存的自然环境逐渐恶化，因此人们必须增强环保意识，推动汽车产业的绿色环保、推动可持续发展。据有关资料显示，汽车车身轻量化设计的效果越好，燃油效率越高。如果机动车整车重量减少10%，燃油效率可提高6.8%；如果车辆的空气阻力降低约10%，燃料效率可提高约3%；如果车轴和变速器等主要部件的重量增加10%，燃油效率将增加约7%；若汽车车身质量每降低约100公斤，则二氧化碳的总排放量将降低约5g/Km。由此可见，多材料汽车车身的轻量化设计是缓解能源短缺危机、抑制环境污染问题的重要举措。

2  汽车车身轻量化的技术现状以及发展趋势

考虑到作为主要测试对象的车身设计，通过检查如何将正确的材料应用于正确的部件，并综合考虑车身的结构性能、质量和成本，来检查轻质多材料车身的制造方法。首先，阐述了轻型汽车车身的研究背景和重要性，全面分析了轻型汽车的研究方法和发展现状，探讨了轻型车身的重要性。并指出了深入研究材料光体设计方法的重要性，以及深入研究材料光体材料的重要性。

2.1 轻量化车体构造研究及改善方法

从二十一世纪开始，随着新兴产业科学技术的快速发展给很多领域都产生了影响，技术研究与工程改造技术也越来越完善，它们在汽车车身设计中运用广泛，使得产品设计简化了汽车构造的开发周期变为可能，进而减少了产品设计的周期。这种基于有限元法的车身结构分析方法已成为现代车身优化设计技术的主要分析方法。在早期阶段，车身结构优化分析主要基于数学理论和有限元方法的结合，并使用数学计算方法建立车身结构优化模型。然而，随着现代研究能力和结构手段的不断发展，以及现代理论的不断完善，车身结构优化研究的范围也逐渐从模态设计层面转向整体结构性能优化项目阶段。在本项目中，有限元分析与计算机辅助优化技术的结合是优化车身设计的有力手段。在车身结构分析中，以车辆的每个部件为对象进行材料选择，然后进行深入研究。车身分为不同的部分，如柱、板和加强梁，以及车身罩。所谓的车体承载部件主要包括车体结构的板片以及支承在车体结构零部件的总和。由横梁和立柱共同形成了整个车辆的主车身骨架，从而构成了车辆的整个框架结构，使整座车辆形成了一个完整的封闭车身。设计的车辆结构中，以全载乘式车辆为主要的研究对象。而所谓全载乘式，是指设计要求在车辆使用的环境中，在倾斜、扭曲和碰撞的环境中即便有轻微负荷改变之后，车辆结构仍能随着可预见的负荷改变而减速，为乘员提供了一种安全的生存空间和保证了乘室结构的整体性。承载式车身的汽车，在水平路面行驶中很稳定且固有频率小、噪音小、重量轻等特点。当然，履带汽车底盘的刚度也远远低于有多架梁构造的非承载型汽车，当整车的四个轮子间受力不平衡时，汽车也容易出现变形。并不是车身所有的材质硬度都越高越好，具体程度还要看部件。如驾乘区的框架，要保证驾驶舱的空间尽可能地不扭曲，为了确保驾乘人员安全，还需要使用高强度的建筑材料。而车前部和车尾的结构（如引擎盖、翼子板等），可以吸收撞击力，也可以采用质量相对较小的钢材。

2.2 轻量化材料以及在汽车生产上的运用

目前，由于中国国内的企业进行了汽车复合材料的研发，导致了铝镁等汽车复合材料的应用不断增多，铝合金和镁合金的优越性能已经成为汽车上的第一首选。同时由于政府和人们对于车辆能源和环境等方面的需求日渐增加，也产生了新型的汽车金属材料的研发，主要是高强度钢材质在汽车上的应用。从最先的高强度钢开发出来，再到后期超高强度钢材质在车体内的应用。而高强度钢质，不管是减轻汽车自重或者改善车辆碰撞稳定性，都是首选的材料，也可以达到不错的轻量化效果。而在汽车制作上的运用，主要是车门，甚至车门外板或者是轮毂等，也使用了高强度钢质。而ld铝合金板材则具有优异的机械性能和耐腐蚀强度能，以及导热性能和回收能力，它在汽车轻量化中的使用重点在车体内板和外板方面。

2.3 基于多材料的轻量化车身

根据汽车的面料构造及其基本特点的研究，在基于轻量化的汽车板壳结构构件选择和使用领域，将以车辆的设计和选择为例，针对大型板壳类构件的面料选取技术进行探讨。此外在汽车材料与结构组合优化设计领域中，汽车材料与结构组合优化设计中的数学模型，通过神经网络形成了约束方程，从而增加了有限元的研究时间，并通过更多方向的遗传算法解决了问题。轻量化材料的优越性能使得其成了优化车身结构以及减轻车身质量的首要选择材料，但是由于其成本远远高于普通的车身材料，如低碳钢材料，从而导致自由轻量化材料车身的成本远比现有的钢的成本高很多，而高额的成本也是目前阻碍铝合金、镁合金以及复合材料等轻量化车身广泛应用的重要原因。因此，将钢材与轻量化钢材的组合用于设计车身的多材质结构设计方案，是今后汽车开发的重点目标。因为车体结构复杂，导致组成车体零部件的种类也很多，而人们对车体不同部位的功能要求也不相同，导致多部件轻量化汽车的发展变成可能。把适当的材质运用到适当的地方，也正是多材料的车身造型的核心理念。在研究的过程中，更多地运用了数学模型与计算机的图像处理相结合的方式，研究了汽车结构特性的优化问题并且把汽车结构划分为两个方面，对这两个专业课程都进行了结构方法和适用的最优研究，此外，还以一般汽车的车门结构为重点研究目标，考虑了一般汽车车身的结构问题，并找到适宜的结构。多材料的车身设计研究结果表明，相对于单一材料结构车身，将合适的材料运用在合适的部位，就是实现较好的汽车车身轻量化效果与单一的材料车身相比较，对材料结构车身能够将每一种材料分配在其合适的部位，充分发挥各种材料的优点，在满足各零件部位性能的前提下，以最小的代价获取更大的轻量化效果。结合多方面的车身情况，进行多材料的汽车车身的轻质化设计研究，可以利用多方面的理论和数学模型的研究框架，根据整车的设计情况研究，制定设计对策最后通过整车轻质化设计前后比较，进行整车轻质化设计成果的研究。

3 汽车车身轻量化设计的方法

截至目前，汽车车身轻量化设计的方法主要有三种，即材料轻量化、结构轻量化、生产工艺轻量化，具体内容如下所示：

3.1 材料轻量化

材料轻量化是汽车车身轻量化最为主要的方式，目前使用的轻量化材料有高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维材料。其中高强度钢具有技术成熟、材料来源广、造价低廉的优点，能够直接利用现有的冲压、焊接、涂装和总生产线，能够节省10%的汽车重量；铝合金具有锻造技术成熟、机械性能好的优点，能够节省30%的汽车重量；碳纤维材料具有强度高、减重效果好的优点，能够达到50%的汽车重量，但是碳纤维材料也有一定的缺点，即材料价格昂贵，每吨价格约为20万~30万元，目前只应用在比较高端的汽车上，例如布加迪威龙、法拉利、奔驰、宝马等豪华品牌车型。

因为车辆身体各个部分对钢材质量、刚性的需求不同，我们应该按照具体要求来合理配置轻量化材质，在确保其车身重量不减的前提下，降低车辆的总体质量。例如汽车车身A柱、B柱对承载能力、强度硬度提出了很高的要求，因此可以在这些地方配备高强度钢材料；汽车的防撞梁需要承受较大的撞击力，而传统的低碳钢不仅质量大，而且强度较低，与汽车车身的轻量化设计理念背道而驰，因此很多车型都选择铝合金材料作为防撞梁。如今很多汽车厂商都在进行汽车车身轻量化设计工作，铝合金材料凭借低廉的成本、优异的性能成为汽车车身轻量化设计的重要材料。

3.2 结构轻量化

汽车结构轻量化设计是利用综合优化的方法，来降低汽车车身的重量，如今很多汽车厂商综合使用数据模型、有限元分析等方法来优化汽车车身结构，尽可能减少汽车车身上的材料，以此达到汽车轻量化设计的目的。例如日本丰田、本田等知名汽车厂商采用超薄汽车钣金、简化车门结构、使用泡沫防撞材料、降低的车底盘厚度等方法来降低汽车重量，在保证汽车安全性的前提下，将汽车燃油效率降到极致。在汽车车身结构轻量化设计过程中，汽车厂商一般会使用CAD建模工具，对汽车车身的结构布局进行优化设计，并在仿真软件上进行碰撞测试，从整车角度出发去分析汽车车身结构，进一步简化汽车零部件结构，剔除不必要的配置，保证汽车的各项性能符合需求。再比如在奥迪的ASF车体构造中，首先采用了ld铝合金的挤出成型材料，然后再加工出不同造型的组件，最后再通过龙骨加蒙皮的方式结合在一起，构成了一体式的铝质蒙皮框架，不但可以勾勒出完美的汽车曲线，同时也可以降低大约40%的汽车自重。

在汽车结构轻量化设计过程中，汽车厂商通常会使用三维模型、CAE技术对汽车结构、配件形状、板材厚度进行计算分析，试图通过降低零部件的厚度、减少汽车材料的数量来达到轻量化设计的目的。比如吉利的中FE车型散热器上的横梁总成原本是单一的，但是整合了第二道开启结构，可以同时拥有单独的散热片和格栅支撑，在采用了轻量化技术以后，把格栅支撑和散热片的横梁总成组合到一起，从而彻底剔除了格栅支撑，不但可以保证对车辆的安全不会产生影响，而且降低了2.2千克的总体自重。

3.3 生产工艺优化

在汽车车身轻量化设计过程中，不仅使用了新材 料，也创新设计了新结构，传统的生产工艺显然已经 满足不了汽车车身轻量化设计的需求，必须使用新的 生产工艺。在实际操作过程中，传统的生产工艺会导 致汽车结构回弹力大，影响汽车的外观和性能，必须 使用差厚板工艺、热冲压成型工艺等等，其中差厚板 工艺能够优化汽车车身的受力结构，减少汽车材料的 使用量，使用更少的材料达到更好的效果。在汽车车 身装配过程中，当下使用最为广泛的当属激光焊接， 激光焊接能够有效避免人为焊接的缺点，在减少焊接 数量的同时，还能提高焊接强度，此外激光焊接还能 焊接多种材料，简化焊接结构和焊接流程，对于汽车 车身轻量化设计来说有着不可忽视的积极影响。 

4 总结

汽车轻量化设计是推动汽车产业结构升级，实现可持续发展的重要举措。因此各大汽车厂商必须意识到汽车轻量化设计的重要性，积极响应国家的绿色环保号召，加大轻量化材料的使用比例，不断优化汽车车身结构，创新设计新的汽车生产工艺，在保证汽车安全性的基础上，尽可能降低汽车的重量，从而提升汽车的燃油效率，减少污染物的排放量，为环境保护作出更大的贡献