汽车轻量化各材料的优缺点专题之汽车车身结构轻量化研究

摘 要：21世纪，汽车呈现出系统化、模块化、轻量化、电子化和个性化的总体发展趋势。当前，一次性能源的急剧减少和环境污染是全球两大主要问题，汽车车身轻量化的重要性日益凸显。低能耗、低排放、高性能的汽车是社会可持续发展的必然要求，车身结构轻量化正是实现这一目标的有效方法。车身轻量化设计可以减少原材料的使用量，降低生产成本和油耗，减少尾气排放，实现节能环保。因此，本文从车身结构设计、材料选择、制造工艺等方面研究了如何实现汽车车身结构的轻量化。

关键词：轻量化；结构设计；材料选择；制造工艺

汽车车身轻量化是世界汽车产业的重要研究课题［1-3］，是全球汽车厂商的共同选择，是我国应对能源安全、新能源汽车发展的必然选择，也是汽车工业可持续发展的必然之路，对于提升汽车产品的核心竞争力，提高汽车企业的创新能力有重要意义。

然而，汽车轻量化理论和技术的实施涉及汽车安全品质、材料工艺、回收再利用等多学科多目标协同优化问题［4-6］，特别是新能源汽车结构特殊，人们需要掌握结构轻量化的基本原理，遵循科学的设计方法和开发流程，并且把轻量化开发和研究的理念贯穿始终。主要就是运用各种技术手段，在保证汽车各项性能要求的前提下，降低整个车身及零部件总成的质量，以实现汽车质量降低的目的［7-9］。

1 国内外车身轻量化研究的发展

1.1 国外车身轻量化的发展

国外超轻钢技术发展比较迅猛，由于技术水平和汽车轻质材料价格问题，钢材还将在未来很长一段时间内无法被替代。20世纪90年代，世界钢铁协会成立了超轻钢技术项目组，重新设计汽车车身结构，提升钢材质量，减轻相同性能下钢材的使用量，达到车身轻量化的目标。该项目取得了瞩目的成绩——车身减重约25%。但是，其车身一阶模态频率、车身扭转刚度和车身弯曲刚度都比原来有很大程度的提高。汽车生产成本比原来降低15%。

世界钢铁协会进行汽车车身轻量化的主要手段包括：利用高强度的板材替代传统板材；利用新的生产工艺，如激光焊接工艺和液压成型工艺等；使用有限元法对现有车身进行优化设计，使用计算机仿真技术，以保证车身的各种性能指标达到标准。

碳纤维增强材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）强度高、刚性好、质量小，它拥有优秀的耐蠕变和耐腐蚀性，成为汽车轻量化最理想的材料。虽然碳纤维增强材料有众多优点，但是价格一直居高不下，现阶段，碳纤维增强材料只用于高档轿车或跑车上。

除了高强钢和铝合金外，镁合金和复合材料等轻质材料也在汽车车身中得到一定程度的应用。镁具有良好的加工性、抗凹性、减震性，镁合金密度大约是铝合金的2/3，具有良好的轻量化应用潜力。总体来看，国际上，汽车轻量化技术已经很成熟。

1.2 国内车身轻量化的发展

目前，我国高强度钢轻量化车身研究取得较大进展，宝钢已形成TP、DP、DQ、BH及CQ等商业高强度钢板品种，覆盖了目前国外主要品种的生产，表明国内高强度钢系列已初步形成。

我国的汽车铝合金用量与国外相比还有较大的差距，2011年美国汽车单车的平均用铝量达到161 kg，2012年欧洲汽车单车的平均用铝量为145 kg。但是，我国2010年乘用车单车的平均用铝量仅相当于北美洲2000年的水平（119 kg）。

2008年，中国汽车轻量化技术创新战略联盟在宁波正式成立。2016年，轻量化联盟拥有19家成员单位、46家伙伴单位和6家观察员单位。

从总体看，我国汽车轻量化技术发展主要面临如下问题：轻量化技术涉及学科研究领域众多，需要应用较多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系，但是我国研究机构目前只注重单个技术的开发，很少有各技术的交叉；车辆轻量化技术涉及许多常用技术和尖端技术，其核心技术的突破不可能由单一企业或研发机构完成，国家必须有战略性、前瞻性、协调性的部署，而我国缺乏此类机构；产学研结合不够紧密，没有明确分工。

由此可见，无论是理论方面还是实际运用方面，中国汽车轻量化技术发展与国外相比都有很大的差距，任重而道远。

2 汽车轻量化理论与设计方法研究

汽车轻量化的问题是在最优化的理论基础上建立的，通常所说的优化设计，就是根据实际的情况和问题，建立其优化的数学模型，采取一定的最优化方法，寻找既满足约束条件又使目标函数最优的设计方案。构成结构设计问题的三要素为：设计变量（Design Variable，DV）、状态变量（State Variable，SV）、目标函数（the Objective Function，OBF）。具体方法如下。

在汽车结构轻量化中，结构尺寸优化是在确定结构拓扑的前提下，用少量的尺寸来表示结构的某些变化，然后建立基于这些维参数的数学模型，并采用优化方法求解最优维参数。

在尺寸优化中，其设计变量大多数为材料参数（如说弹性模量和密度）和尺寸参数（如横梁横截面的尺寸、转动惯量、弹性支承刚度、板材的厚度、两个部件之间的连接刚度等）。

尺寸优化是通过优化一维梁单元的截面尺寸、二维板单元厚度等，寻找目标结构件的最好截面尺寸，满足其相对应的性能要求，性能优化期间，结构的形状和拓扑结构没有发生变化。尺寸优化的一个重要方向是一维梁单元的截面尺寸优化，从之前的结构到现在工业上用的各种型号钢材，尺寸优化已经相对成熟，在给定结构外形几何、材料、单元类型、结构布局的情况下，以截面的尺寸为设计因变量，寻求截面尺寸的最优，以满足性能要求并且实现结构轻量化，达到降低生产成本的目的。

3 汽车车身轻量化发展趋势

3.1 利用高强度板材来代替传统板材

3.1.1 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。

3.1.2 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。

3.1.3 多孔材料

在大自然中，有很多动物的筑巢方式值得人们学习，在向大自然的学习中，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。

3.2 其他方法

采用新的生产工艺，如激光焊接工艺、液压成形工艺等。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。

4 结论

随着我国科学技术的进步，新的轻型复合材料越来越多，可用作汽车车身的材料越来越丰富，计算机仿真模拟精度越来越高，在保证汽车安全性能的前提下，汽车车身质量逐渐降低。汽车轻量化对节能减排也有着极大的促进作用。