探究輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

李洪光 孫譜 崔明

摘 要：隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，我國(guó)公路交通已進(jìn)入高速發(fā)展階段。隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅速。我國(guó)主要汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)壓力也在顯著上升。如何提高汽車的生產(chǎn)質(zhì)量，裝配出高質(zhì)量的汽車成為汽車行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，我國(guó)汽車工業(yè)正逐步向自動(dòng)化、輕量化方向發(fā)展。輕量化材料的使用和制造技術(shù)已成為衡量汽車輕量化發(fā)展水平的一個(gè)重要指標(biāo)。在我國(guó)汽車制造業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，汽車制造工藝不斷優(yōu)化和創(chuàng)新。輕量化技術(shù)能有效降低汽車能耗，改善生態(tài)環(huán)境，達(dá)到節(jié)能減排的目的，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的理念，也是未來(lái)我國(guó)汽車制造業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。為此，本文分析了輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，以加強(qiáng)技術(shù)推廣，充分發(fā)揮技術(shù)的應(yīng)用效率。

關(guān)鍵詞：汽車工程;輕量化技術(shù);應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：U462.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用主要是運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段對(duì)汽車產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該技術(shù)的應(yīng)用通過(guò)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念和手段，優(yōu)化了車輛的整體設(shè)計(jì)，提高了車輛的整體性能，降低了油耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，提高了車輛的安全性和舒適性，這對(duì)汽車工業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義。在滿足車輛使用需求的基礎(chǔ)上，降低車身質(zhì)量，從而達(dá)到控制車輛能耗、提高運(yùn)行性能、減少尾氣污染等目的。是解決溫室氣體排放問(wèn)題、緩解石油資源短缺的主要途徑。

隨著中國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，中國(guó)汽車工業(yè)的內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)壓力越來(lái)越大。如何提高汽車裝配質(zhì)量已成為汽車企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)于汽車工業(yè)來(lái)說(shuō)，汽車裝配材料是影響汽車質(zhì)量的重要因素之一。目前，輕量化材料的使用是我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向之一。本文將從汽車輕量化材料的主要材料組成入手，探討輕量化材料的制造工藝。

1 輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用前景

輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用前景主要涉及以下內(nèi)容：汽車工程輕量化是未來(lái)汽車設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，在動(dòng)力傳動(dòng)、節(jié)能減排等方面具有重要的應(yīng)用意義。在現(xiàn)有的研發(fā)體系中，大多是單學(xué)科研究，很少實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的整合。輕量化技術(shù)的核心技術(shù)不能由單個(gè)學(xué)科或科研機(jī)構(gòu)獨(dú)立完成，必須進(jìn)行多學(xué)科的戰(zhàn)略部署和集成研究。但是，目前還沒(méi)有建立起這樣的科研機(jī)構(gòu)，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不緊密，缺乏明確的定位和分工，研究與開發(fā)之間的聯(lián)系不充分，企業(yè)規(guī)模小，而科研開發(fā)能力薄弱，缺乏足夠的研發(fā)人員。

2 分析汽車輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)

汽車輕量化作為一種多標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)性材料，其設(shè)計(jì)需要注重車身尺寸和形狀的優(yōu)化。汽車輕量化技術(shù)在創(chuàng)新車身質(zhì)量的同時(shí)，可以將材料參數(shù)和截面尺寸結(jié)合起來(lái)。加強(qiáng)零部件優(yōu)化，提高整車零部件的安全性和有效性。一般來(lái)說(shuō)，最實(shí)用的方法是汽車外形和零部件的輕量化設(shè)計(jì)。其次，可以優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)分布和荷載分布。在輕量化設(shè)計(jì)理念下，經(jīng)過(guò)多次迭代，材料的性能無(wú)法穩(wěn)定。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用于汽車零部件和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。它可以減輕車身重量，改善汽車結(jié)構(gòu)性能，縮短汽車生產(chǎn)周期，提高汽車質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，車身結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是無(wú)骨架結(jié)構(gòu)和空間設(shè)計(jì)。這也迎合了輕量化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。輕量化的空間可以通過(guò)減輕自身重量來(lái)改變。加強(qiáng)材料應(yīng)用和輕量化工藝設(shè)計(jì)分析，最終提高整車設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3 輕量化技術(shù)在汽車工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 尺寸優(yōu)化

從技術(shù)發(fā)展的角度看，最早的技術(shù)手段之一應(yīng)該是優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)和尺寸，以車輛結(jié)構(gòu)和零部件尺寸為主要設(shè)計(jì)變量，如壁厚值、減重孔尺寸等，模擬不同車輛在不同工況下的行駛場(chǎng)景，適當(dāng)調(diào)整車輛的結(jié)構(gòu)規(guī)格和尺寸。實(shí)時(shí)觀察車輛的行駛狀況和部件的運(yùn)行情況。結(jié)合仿真結(jié)果，確定了各結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的約束條件。相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)建立匹配函數(shù)優(yōu)化模型，導(dǎo)入具體的數(shù)學(xué)公式，準(zhǔn)確得出位移靈敏度、應(yīng)力靈敏度、固有頻率靈敏度、特征值靈敏度等計(jì)算結(jié)果，從而為車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。例如，在調(diào)整車門結(jié)構(gòu)固有頻率和剛度的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減輕車門結(jié)構(gòu)的重量，但不會(huì)對(duì)車門結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、穩(wěn)定性和安全系數(shù)造成任何不利影響，從而更好地達(dá)到車輛輕量化設(shè)計(jì)的目的。另外，在汽車結(jié)構(gòu)尺寸的輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者不應(yīng)忽視特征值敏感性、應(yīng)力敏感性和線性靜力敏感性。同時(shí)，在行駛過(guò)程中可能發(fā)生碰撞時(shí)，要注意車輛的安全。發(fā)生交通事故時(shí)，車輛與安全防護(hù)設(shè)施、其他障礙物和車輛發(fā)生碰撞。碰撞過(guò)程是一個(gè)非線性問(wèn)題，設(shè)計(jì)者很難準(zhǔn)確獲得車輛碰撞敏感度等信息。針對(duì)這些情況，相關(guān)設(shè)計(jì)人員可以選擇用近似模型設(shè)計(jì)方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有限元模型，精確計(jì)算車輛在碰撞過(guò)程中的線性載荷值，并以此作為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的主要來(lái)源和依據(jù)。

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化

在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者以各種材料的空間分布為主要設(shè)計(jì)對(duì)象，引入特定算法，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確計(jì)算的最佳方法和途徑。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)車輛的實(shí)際情況選擇合適的拓?fù)鋬?yōu)化方法。例如，在應(yīng)用變密度拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)將設(shè)計(jì)變量視為反映彈性模量與材料質(zhì)量之間密切關(guān)系的變量，而不是材料本身的實(shí)際密度?；诓牧喜逯岛瘮?shù)，建立了各種材料的合理近似模型和微觀結(jié)構(gòu)懲罰模型。該模型結(jié)構(gòu)能直觀地顯示不同材料分布的中密度單元，并生成拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。另外，拓?fù)鋬?yōu)化方法僅適用于中小型車輛。對(duì)于具有離散結(jié)構(gòu)的大型客車模型，設(shè)計(jì)人員應(yīng)采用參考結(jié)構(gòu)法，對(duì)現(xiàn)有的參考結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以獲得拓?fù)鋬?yōu)化的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.3 形狀優(yōu)化

在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目的是改善汽車整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。通過(guò)調(diào)整整體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)，可以更好地發(fā)揮應(yīng)用程序的性能和各種材料的性能。同時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)車輛的幾何結(jié)構(gòu)，采用最合適的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。例如，當(dāng)車輛幾何形狀不規(guī)則時(shí)，參數(shù)形狀優(yōu)化方法可以同時(shí)優(yōu)化梁結(jié)構(gòu)截面和車輛減重孔形狀。

4 輕量化材料在汽車工程中的應(yīng)用

4.1 高強(qiáng)度鋼

隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展和完善，高強(qiáng)度鋼自誕生以來(lái)就被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)，對(duì)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減輕結(jié)構(gòu)重量具有重要意義。目前，高強(qiáng)度鋼主要分為高級(jí)高強(qiáng)度鋼和普通高強(qiáng)度鋼。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果，用高強(qiáng)度鋼代替車身材料后，車身重量可降低到原來(lái)重量的75%左右。以DP雙相鋼為例，該鋼由馬氏體和鐵素體組成。馬氏體含量在10%～15%之間。含量越高，鋼的強(qiáng)度越高。同時(shí)，DP鋼還具有良好的抗疲勞和延伸性能，廣泛應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)的前、內(nèi)導(dǎo)軌、前后保險(xiǎn)杠、中柱內(nèi)板等零件和安全件。

4.2 塑料及復(fù)合材料

我國(guó)汽車制造業(yè)發(fā)展初期，塑料和纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝不成熟，材料性能質(zhì)量差，制造成本高。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，以及生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和改進(jìn)，塑料和復(fù)合材料逐漸成為汽車車身結(jié)構(gòu)的主要材料，它不僅能滿足汽車車身結(jié)構(gòu)的性能和質(zhì)量要求，同時(shí)也大大降低了車身的質(zhì)量。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果，人體結(jié)構(gòu)中各種塑料及復(fù)合材料的平均消耗量在150公斤以上，占人體質(zhì)量的20%以上。如聚丙烯、聚碳酸酯等材料廣泛應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)中，如踏板、遮陽(yáng)板、擋泥板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、后滑門等部件。長(zhǎng)纖維熱塑性復(fù)合材料用于汽車車門結(jié)構(gòu)、保險(xiǎn)杠、儀表板等零件。在寶馬I3電動(dòng)車中，底盤車身材料為碳纖維材料，實(shí)際質(zhì)量?jī)H為傳統(tǒng)底盤的50%左右。

4.3 鋁合金

鋁合金由于其密度僅為鋼的1/3，導(dǎo)熱性、耐久性和耐腐蝕性強(qiáng)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。鋁合金是在鋁中加入一定量的混合金屬制成的，能全面提高構(gòu)件的整體強(qiáng)度、耐久性和抗疲勞性。同時(shí)，鋁合金也可以回收利用，注重節(jié)能環(huán)保的理念。將鋁合金應(yīng)用于汽車輕量化零部件的制造具有重要意義。它主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)部件。一些變形鋁合金更多地用于車身系統(tǒng)部件和熱交換器制造。由于鋁合金制造成本高，它只出現(xiàn)在高檔轎車上。隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷研究，鋁合金在汽車上的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大，在特種氣囊支架和汽車車輪上也得到了改進(jìn)和應(yīng)用。

4.4 工程塑料

塑料成型非常容易，經(jīng)過(guò)處理可以使一些設(shè)備變得更加簡(jiǎn)單。塑料制品具有很強(qiáng)的彈性，能吸收大量的能量，減少碰撞的沖擊，具有很強(qiáng)的緩沖作用，以及降噪和校正的能力。此外，與傳統(tǒng)金屬制品相比，塑料復(fù)合材料具有很強(qiáng)的耐久性和耐腐蝕性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼板。在汽車零部件制造中，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)電子系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等零部件。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)的延伸。這些材料還用于納米復(fù)合材料、無(wú)噴霧塑料、塑料和玻璃纖維增強(qiáng)塑料。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了促進(jìn)現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的目標(biāo)，企業(yè)必須加強(qiáng)輕量化技術(shù)的應(yīng)用，靈活運(yùn)用各種技術(shù)手段，深度挖掘潛在的應(yīng)用價(jià)值，推動(dòng)汽車輕量化、集成化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)制造體系發(fā)展。總之，從我國(guó)汽車工業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，輕量化汽車將成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。如何提高汽車輕量化材料的應(yīng)用和生產(chǎn)技術(shù)，已成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。我國(guó)相關(guān)人員只有秉持著不懈的理念，才能進(jìn)一步研究開發(fā)出更加優(yōu)秀的汽車輕量化材料制造工藝，進(jìn)而為我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

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