【技术干货】汽车新技术上篇：汽车轻量化分析
随着人们对汽车安全性、舒适性、环保性能要求的提高。汽车安装空调、安全气囊、隔热隔声装置、废弃净化装置、卫星导航系统越来越普及，这无形中增加了汽车的质量、耗油量和耗材量。汽车工业已成为我国的支柱产业。2007 年我国汽车消耗全国石油的60%。图10-1 所示是1990 年以后我国石油供应结构的变化。从图中可以看出我国石油需求量对进口的依赖度已超过50%。今后还将进一步加大。 随着汽车产量和保有量的增加。汽车在给人们的出行带来方便的同时也同时产生了油耗、安全和环保三大问题。
节约能源、减少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的两大问题，而减轻汽车自重是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一。因此汽车轻量化成为21 世纪汽车技术的前沿和热点。轻量化已成为汽车优化设计和选材的主要发展方向。
汽车的燃油消耗与车重的关系很难用简单的数学关系是表达。但可以从理论分析和试验两个方面找到它们之间的关系。 汽车行驶的阻力F 可由下式表达:
由式(10-1)可知，汽车行驶阻力越大，耗油越多。汽车行驶阻力包括滚动阻力、坡道阻力、加速阻力和空气阻力等四部分从式(10-1)可以看出ꎬ除了空气阻力主要与车身形状大小有关外。其他三项均与整车质量成正比 经验数据显示空气阻力约占行驶阻力的25%。目前，减少这部分阻力的措施通常由:流线型车身、全黏结风窗玻璃、隐蔽式刮水器、下地板全封装等。
(1)在保证汽车质量和功能不受影响的前提下，最大限度地减轻各零部件的质量降低燃耗减少排放污染。
(2)在使汽车减轻质量、降低油耗、减少排放的同时ꎬ努力谋求高输出功率、高响应性、低噪声、低振动、良好操纵性、高可靠性和高舒适性等。
(3)在汽车轻量化的同时ꎬ汽车的价格应当下降或保持在合理水平。具有商业竞争能力。即汽车的轻量化技术必须是兼顾质量、性能、价格的技术。
按2005年美国环保局的数据。各个产业的温室气体排放情况如图10-2所示，交通运输的温室气体排放量仅次于电力工业。这些数据表明:汽车工业节能减排对于一个国家的能源供应和环境保护都具有重要的意义。
汽车轻量化技术可以分为:结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺等3 个主要方面。其中，结构优化设计方面包括:汽车结构的尺寸优化、形状优化、拓扑优化和多学科设计优化、轻量化材料的应用方面包括:高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料等。先进制造工艺方面包括:液压成型和激光焊接等。
(1)轻量化的结构设计和分析。而且这种设计已经融合到了汽车的前期概念计阶段优化结构的主要途径是利用有限元和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，以减少零部件的质量和数量。
(2)轻质材料在汽车上的应用。包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等。并在前期与结构设计融为一体，以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用。 据统计汽车车身、底盘、发动机三大件占一辆轿车总质量的65% 以上。 一般全钢结构白车身通过优化设计可以减重7%左右采用铝合金的车身可以带来30% ~50% 的轻量化效果而想减轻更多的质量就只能求助于纤维复合材料。而先进的加工工艺是为了应对材料和结构的变更，而提出新的工艺。
汽车轻量化结构设计主要是在满足设计性能要求的前提下，尽可能使汽车零部件的材料在空间合理分布。避免不必要的材料利用，以获得最轻的结构设计。大多采用CAE 技术对汽车的结构进行优化ꎬ使零件薄壁化、中空化、小型化、复合化。
结构优化设计分为尺寸优化设计、形状优化设计和拓扑优化设计。 其中，拓扑优设计是在设计空间内寻求结构最佳的传力路径。对提高汽车零部件综合性能和减少汽车零部件质量的效果较其他优化更突出。
结构尺寸优化是应用最早、也是应用最成熟的一种汽车轻量化技术。 它一般以汽车零部件的尺寸(如冲压件的壁厚、梁截面尺寸、减重孔的尺寸等)参数为设计变量，以满足不同工况下的刚度、强度、振动、吸能等约束条件。以结构质量最小为目标函数构建优化模型。
形状优化方法有两种。对于具有几何外形的结构，可以将结构的几何外形参数化。从而将形状优化转变为尺寸优化问题。 但是对于汽车结构来说，更多的是具有不规则的几何外形，此时难以采用参数来描述几何外形。因此无法将其转化为尺寸优化问题。针对这种问题，目前广泛采用不需要尺寸参数的无参形状优化方法。
拓扑优化以事先指定的设计空间的材料分布为优化对象。通过优化算法自动给出最佳传力路径，从而节省最多的材料。 拓扑优化方法被认为是最具有潜力的结构优化方法，主要应用在结构概念设计阶段。 目前提出的拓扑优化方法有多种，其中最主要的一种方法是变密度法。
拓扑优化将汽车零部件减重设计和汽车结构优化设计结合起来进行零部件设计初期的概念设计。可以使得在满足零件综合性能要求的情况下获得较轻的结构形式，指导设计者后期的设计，对于零部件结构形式的创新性设计和减重设计有着重要的帮助。
采用轻质材料在目前看来具有更巨大的潜力。是汽车轻量化的主流， 汽车行业普遍注重于开发轻量化材料来解决这一难题。 在确保汽车综合性能指标的前提下，使用轻质材料来制造车身。可以很大程度减轻车身的质量。 目前在国内外汽车上应用较多的轻量化材料有铝合金、镁合金、高强度钢、塑料及复合材料等。 表10-1列出了某国中型轿车主要材料构成比例。从中可以看出，汽车上使用钢铁材料的比例逐年减少，而铝合金等轻量化材料的比例不断上升。但是，高强度钢仍是颇具竞争力的汽车轻量化材料，它在抗碰撞性能、耐蚀性能和成本、回收等方面较其他材料仍具有较大的优势。尤其是用于车身结构件与覆盖件、悬架件、车轮等零部件。
镁合金和铝合金、钢铁和塑料的物理机械特性的比较见表10-2而表10-3 列出了常用几种轻量化材料的减重效果及相对成本。
对于高强度钢，以前并无统一的定义。有人认为抗拉强度超过340MPa 的称为高强度钢。瑞典学者将钢板强度级别分为普通强度钢(MS)、高强度钢(HS)和特高强度钢(EHS) 按照ULSAB 所采用的术语。将屈服强度为210~550MPa 的钢定义为高强度钢(HSS)屈服强。
度为550MPa 的钢定义为超高强度钢(UHSS)ꎬ而先进高强度钢(AHSS)的屈服强度则位于于HSS 和UHSS 之间的强度范围ꎮ ULSAB 是超轻钢质车身项目的简称。该项目是由世界主要钢板生产商致力于开发出超轻钢质车身而发起的。
图10-3 所示就是Volvo S40 通过使用不同强度的钢材(分为普通、高强度、超高、特高)而提高车身碰撞安全性的一个典型例子。
高强度钢又可分为传统高强度钢和先进高强度钢两类。传统高强度钢种包括低碳钢、无间隙原子钢、各向同性钢、烘烤硬化钢、碳锰钢、低合金高强度钢。 先进高强度钢是金相组织强化的钢种。包含变相诱导塑料钢、复相钢、马氏体钢、双相钢等。在提高强度的同时具备了良好的延展性和塑性。图10-4 所示为高强度钢在汽车上的应用。
热成型钢是指将钢板经过950℃左右的高温加热之后一次成型。又迅速冷却加工而成的一种具有超高屈服强度的钢。
(1)极高的材料强度及延展性。一般的高强度钢板的抗拉强度在400~450MPa而热成型钢材加热前抗拉强度就已达到500 ~800MPa。加热成型后则提高至1300 ~1600MPa。为普通钢材的3 ~4 倍。其硬度仅次于陶瓷。但又具有钢材的韧性。因此由热成型钢板制成的车身极大地提高了车身的抭碰撞能力和整体安全性。在碰撞中对车内人员会起到很好的保护作用。
这方面比较典型的一个例子是迈腾轿车中热成型钢板的应用。如图10-5所示图中红色部分为实用热成型钢板的零件。
(2)能有效减轻整车质量，降低能耗。由于热成型钢板极高的材料强度。因此在设计时可以用一个热成型零件代替多个普通钢板的零件。
(3)具有很好的材料成型准确度，消除材料回弹的影响。可实现复杂形状的设计。 由于热成型钢板的特殊性质，并且是加热后成型。因此可以在一道工序完成普通冷冲压成型需多道工序才能完成的复杂形状。
热成型钢板基于上述优点在车身制造中具有很大的应用潜力。但是，由于生产工艺及成本方面的限制。目前，热成型钢板在国内只有长春及上海的两家工厂在生产。
