黃麗麗

（南京依維柯汽車有限公司 江蘇南京 210028）

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車行業(yè)在我國(guó)市場(chǎng)上出現(xiàn)了蒸蒸日上的趨勢(shì)。為了促進(jìn)汽車行業(yè)更好的發(fā)展，應(yīng)當(dāng)對(duì)汽車車身的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：輕量化；汽車車身；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

1.1高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用

高強(qiáng)度鋼板的真正優(yōu)勢(shì)是減薄鋼板、減輕車身質(zhì)量而又不降低車身安全性。無(wú)論從成本還是性能角度分析，高強(qiáng)度鋼板是滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的首選材料，主要應(yīng)用在AB柱、地板、門檻等車輛的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。

1.2鋁合金的應(yīng)用

鋁合金作為輕質(zhì)金屬，是汽車輕量化的理想材料。鋁合金在汽車領(lǐng)域的用量在逐步增加，且種類多樣化，大有代替鋼板、成為未來(lái)汽車車身主要材料的趨勢(shì)。

1.2.1鋁合金的特點(diǎn)

鋁合金的主要特點(diǎn)包括：密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、彈性和抗沖擊性能好、耐腐蝕、耐磨、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、易表面著色、良好的加工成形性及高的回收再生性等。

1.2.2鋁合金的分類

鋁合金分為鑄造鋁合金和變形鋁合金，鑄造鋁合金用于重力鑄造件、低壓鑄件和特種鑄造件；變形鋁合金主要用于空調(diào)系統(tǒng)零件、壓縮機(jī)件、行駛系部分零件、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱器件、車身零件和裝飾件等。鋁基復(fù)合材料用于制造汽車活塞、氣缸套、懸臂架、制動(dòng)卡鉗、驅(qū)動(dòng)軸及車輪等汽車零件。

1.2.3應(yīng)用于汽車上的鋁合金部件

馬自達(dá)、奧迪等外覆蓋件均采用鋁合金板材。鋁合金在車身上的應(yīng)用是從發(fā)動(dòng)機(jī)罩和行李箱蓋開始，逐漸發(fā)展到全鋁車身。在汽車上的應(yīng)用材料為鋁合金和鋁復(fù)合材料，目前國(guó)外可達(dá)80%以上。60%以上的汽車用鋁合金材料為再生鋁，回收1t鋁合金要比加工制造1t少耗能95%。汽車工業(yè)中加工鋁合金所需的工裝設(shè)備的投資要比鋼鐵少得多。同時(shí)，汽車鋁制車身框架以鋁擠壓型材為主，焊點(diǎn)少，提高了裝配效率，也減少了制造成本。

1.3熱塑性塑料與復(fù)合材料的應(yīng)用

熱塑性塑料目前主要應(yīng)用在后尾門，目前很多商用汽車的后行李廂門多采用熱塑性材料，相比鋼制后尾門，減重10%，提高了市場(chǎng)感知度，并且注塑、組裝工藝簡(jiǎn)單，降低了生產(chǎn)成本。

復(fù)合材料是由2種或2種以上不同性質(zhì)的材料組成，其綜合性能優(yōu)于原組成材料，并滿足不同的要求。其中，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）因其質(zhì)量輕、高強(qiáng)度（鋼的5倍）、高模量和良好的耐熱、耐腐蝕性等特點(diǎn)，已成為一種非常理想的汽車輕量化材料。如果1輛乘用車采用10kg的復(fù)合材料，按照每年新車產(chǎn)量2300萬(wàn)輛計(jì)算，車用復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)將形成千億元的市場(chǎng)規(guī)模。由于碳纖維復(fù)合材料制造成本過(guò)高，在汽車中的應(yīng)用有限，最初僅在F1賽車、超級(jí)跑車、小批量車型上應(yīng)用，如蘭博基尼、柯尼塞格、雷克薩斯LFA、保時(shí)捷911GT3承載式車身上。但隨著碳纖維制造成本的下降，復(fù)合材料制造工藝的成熟，各大主機(jī)廠紛紛進(jìn)行碳纖維零部件的開發(fā)，如今被廣泛地應(yīng)用于高級(jí)轎車上。

2以輕量化為目標(biāo)的汽車車身優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

2.1應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)專用汽車車身輕量化

應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車車身輕量化其中一個(gè)重要方法就是進(jìn)行汽車拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)（如圖1）。所謂拓?fù)鋬?yōu)化是指在一定空間區(qū)域內(nèi)尋找到最為合理分布材料的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這是一個(gè)迭代的過(guò)程，它能夠通過(guò)數(shù)次的迭代（主要包含有限元分析、靈敏度計(jì)算、修改材料分布這三個(gè)步驟），當(dāng)材料的分布已經(jīng)趨向最穩(wěn)定、最優(yōu)的時(shí)候，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)束。因此在汽車車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，顛覆了汽車傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，給汽車設(shè)計(jì)人員開辟出了一條新的汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并且給予了汽車設(shè)計(jì)人員要想實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的精確、充分的設(shè)計(jì)依據(jù)，使汽車設(shè)計(jì)能夠保證在最優(yōu)初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及最優(yōu)材料分布下優(yōu)化汽車車身的形狀以及結(jié)構(gòu)的尺寸，當(dāng)汽車車身經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化后，能夠顯著提高汽車材料的利用率。

總的來(lái)說(shuō)，利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：一是可以改善汽車零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減薄汽車零部件的厚度，減輕汽車零部件的質(zhì)量，提高材料的利用率，減少材料的浪費(fèi)；二是能夠使汽車車上上一些不必要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)在制造上得到簡(jiǎn)化，讓這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)制造的時(shí)候能夠有效提升其生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)制造成本；三是能夠有效避免汽車零件設(shè)計(jì)可能存在的盲目性，也能夠改善因模仿其他汽車零部件設(shè)計(jì)所存在的缺陷。

2.2 應(yīng)用連接工藝實(shí)現(xiàn)專用汽車車身輕量化

汽車在實(shí)現(xiàn)車身輕量化的過(guò)程中，會(huì)存在許多連接工藝問題，而應(yīng)用鎖鉚連接工藝，則可以很好地解決這一問題。具體表現(xiàn)如下：首先，鎖鉚連接工藝能夠?qū)崿F(xiàn)不同材質(zhì)、不同強(qiáng)度、不同硬度、不同厚度的兩層以及多層材料直接的連接，是實(shí)現(xiàn)連接不同形態(tài)汽車輕量化材料的有效途徑之一。其次，鎖鉚連接工藝可以很好地滿足各種形態(tài)輕量化材料之間連接的動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度和靜態(tài)強(qiáng)度要求，更可以很好地傳統(tǒng)鉚接工藝存在的不足，還擁有吸收撞擊能量的功能，因此在汽車安全方面具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。再次，鎖鉚連接工藝允許各種形態(tài)汽車輕量化材料之間用結(jié)構(gòu)膠粘合層，這有助于實(shí)現(xiàn)汽車車內(nèi)防水密封和隔音降噪的目的，還能夠幫助結(jié)構(gòu)膠粘合層實(shí)現(xiàn)快速定型，進(jìn)而有利于汽車實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)。最后，與傳統(tǒng)鉚接工藝相比，鎖鉚連接工藝減少了更多的工序，因此生產(chǎn)效率更高；而與特殊焊接相比，不論是從能耗成本還是從設(shè)備投資上，不論是從設(shè)備操作要求還是操作工序繁簡(jiǎn)上，鎖鉚連接工藝都擁有不可比擬的綜合成本優(yōu)勢(shì)，如圖2 所示。

2.3應(yīng)用新興材料實(shí)現(xiàn)專用汽車車身輕量化

2.3.1輕金屬

以鋁、鎂、鈦合金材料為代表的輕金屬是現(xiàn)用金屬材料中密度較低金屬材料，因而成為汽車減輕自重，提高節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。鋁合金作為一種輕金屬，其具有減重和節(jié)能效果明顯、乘客的舒適性和安全性獲得提高和易于回收等優(yōu)勢(shì)，因此自上世紀(jì)70年代開始，日益受到汽車制造企業(yè)的青睞，成為汽車輕量化首選材料。目前在汽車上主要應(yīng)用于轎車車門用鋁合金板材、超塑性鋁合金板材汽車迎賓板及車標(biāo)車牌用帶材、汽車散熱器用鋁合金復(fù)合材料、汽車防撞梁用型材、汽車懸掛件用鋁合金鍛件等。鎂合金是極重要的有色金屬，它比鋁輕，能夠很好地與其他金屬構(gòu)成高強(qiáng)度的合金。鈦合金將是替代鋼鐵的輕量化和高性能的材料，是最具有潛力的汽車用材料，但鈦和鈦合金應(yīng)用的最大阻力來(lái)自于其高價(jià)格，所以鈦合金的研制和生產(chǎn)工藝的開發(fā)重點(diǎn)都在于降低成本。

2.3.2高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度優(yōu)于普通鋼板、成本低于鋁鎂合金，使高強(qiáng)度鋼板成為未來(lái)汽車結(jié)構(gòu)材料的主體。高強(qiáng)度鋼主要應(yīng)用在包括超輕車身、超輕覆蓋件、超輕懸掛件和在此基礎(chǔ)上的超輕概念車等上，這些都是以鋼鐵為基礎(chǔ).除利用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板外，還大量采用了激光拼焊、激光焊接、液壓成型和計(jì)算機(jī)模擬等技術(shù)來(lái)進(jìn)行汽車的設(shè)計(jì)和制造。

2.3.3其他材料

碳纖維"外柔內(nèi)剛"，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有安全、耐久、耐腐蝕、高模量、美觀等特性，在國(guó)防軍工和民用方面都是重要材料，汽車上的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛，目前在汽車上的應(yīng)用已涉及車身、傳動(dòng)軸、制動(dòng)盤，汽車內(nèi)外件及輪轂等方面。蠕墨鑄鐵具有更高的剛度和強(qiáng)度，而簡(jiǎn)單地以蠕墨鑄鐵代替灰鑄鐵不會(huì)使零件質(zhì)量減輕，但通過(guò)減小鑄件壁厚即可減輕其質(zhì)量。國(guó)外輕型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體應(yīng)用蠕墨鑄鐵較多。

3結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，汽車在人們的生活中所占的地位也越來(lái)越重要，而汽車車身輕量化是未來(lái)汽車的發(fā)展趨勢(shì)，因此汽車企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)汽車車輛輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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