车辆结构的轻量化设计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 26 日 作者简介：李鹏举（1984），男，汉族，河南南阳人，本科，中级工程师，主要从事汽车起重机结构设计工作。-154-车辆结构的轻量化设计 李鹏举 三一汽车起重机械有限公司，湖南 长沙 410611 摘要：摘要：在社会不断进步的过程中，人们对汽车的使用需求不断发展改变。车辆结构轻量化是基于车辆安全和节能减排基础上，引入轻量化设计方法减轻车辆结构自重的一种方法，这种做法能优化车辆整体结构，实现车辆零部件精简化、整体化。轻量化设计是车辆未来发展的主要方向之一。基于此，本文重点探讨了车辆结构的轻量化设计路径，以供参考。关键词：关键词：车辆；结构；轻量化设计 中图分类号：中图分类号：TJ811 0 引言 在汽车设计与制造中，轻量化是目前的主流方向，其与新能源汽车一样，在汽车设计与制造中占据着主流地位。目前，传统汽车发动机技术与新能源汽车电池技术的发展已经进入瓶颈，轻量化成为推动汽车工业发展的核心手段。车辆轻量化不仅能降低汽车设计与制造成本，还能促进车辆节能减排，是行业目前关注的重点。对汽车设计与制造的相关企业而言，把握好汽车结构轻量化设计的核心技术，能在市场竞争中占据更好的优势。1 车辆结构设计中轻量化技术简介 车辆结构设计中，轻量化技术主要是在各类现代技术的帮助下，在车辆生产线上通过改造和优化汽车结构，减轻车辆结构重量，达到降低车辆行驶能耗、减少尾气排放等效果，提高车辆的整体性能。车辆结构通过轻量化设计，使各类材料发挥最大的承重作用，增强结构刚度、促进能量吸收，能够提高车辆的整体性能1。车辆结构轻量化设计中，常常通过外形优化、轻量化材料使用、结构局部或整体优化等，达到减轻车辆结构自重的目标，车辆结构设计的不同阶段，都可以用到相应的轻量化技术。2 车辆结构轻量化设计要点（1）轻量化材料 在车辆结构轻量化设计中，轻量化材料是重要组成部分。轻量化材料是指比强度高的材料，如碳纤维复合材料、铝合金材料等。车辆结构上，不同部位对材料的刚度、强度有不同要求，需要根据结构位置的不同，选择合适的轻量化材料，提高车辆结构的性能。轻量化材料的自重较轻，各项性能可以替代甚至超过传统材料。在车辆结构设计中，常用轻量化材料有铝合金、复合材料、高强度钢等，这些材料本身的强度等级较高，可以在设计结构中降低板件厚度从而减轻重量。（2）轻量化设计 车辆结构轻量化设计主要利用综合性设计手段，通过优化车辆结构减轻自重。数字三维设计方式，可以通过建模、有限元分析、碰撞检测等手段优化车辆结构，用最少材料设计最理想的车辆结构，可以在避免影响车辆安全性的基础上最大限度降低车辆自重。目前，许多车企在优化车身结构时，都会在设计工作中用到三维数字设计软件，通过优化车辆结构布局，线上开展碰撞测试，从车辆整体角度分析轻量化结构，在完成结构轻量化设计后，利用软件测试分析车辆整体的性能，保证车辆结构轻量化后，车辆整体能满足性能、安全、节能减排等方面的要求。3 车辆结构轻量化优化设计（1）优化车辆结构设计 车辆设计与制造过程中，对车辆结构实施轻量化设计，可以采用科学的技术手段，有效提高车辆结构的强度，在减少材料用量的基础上，最大限度减少车辆自重。车辆结构轻量化设计中，需要设计者在考虑车辆实际工况的基础上，优化车辆结构整体或局部布局；以强度、质量等作为优化设计的目标，适当优化中国科技期刊数据库 工业 A-155-板厚、截面惯性矩、梁截面等参数，使车辆结构应力分布均匀，从而优化车辆结构尺寸。设计者还可以通过对车辆结构的外形进行优化，改善车辆结构的受力方式，通过优化车辆结构整体或局部形状，使各类材料能发挥最大的优势2。比如，设计者采用有限元法避免应力高峰，使应力分布变得更加均匀，具体是通过在高负荷部位储存或者增强材料，在低负荷区域去除或减薄材料，各种做法的联合采用，都有利于优化车辆结构。（2）优化车辆零部件设计 车辆结构设计中，在采用轻量化技术时，还会从车辆零部件设计入手。零部件是连接车辆结构的重要工具，通过对零部件进行优化设计，或者减少零部件，能够减少大量成本投入，并且还能减轻车辆自重。如在新型拼焊板上采用轻量化技术，可以在保证车辆结构和零部件强度的基础上，提高车辆的整体性能；部分车辆结构连接过程中，随着高强钢材料在汽车零部件中的广泛应用，热成形技术也得到了广泛应用。热成形技术与传统的冷成形技术存在显著差异，在温度变化的作用下，板料的温度场和应力场呈现反作用关系。这种模式有助于确保车体性能，且能实现车辆轻量化。（3）优化零部件连接方式 车辆设计与制造过程中，各类零部件的连接需要用到各种各样的材料，轻量化技术的应用从一定程度上可以改进零部件的连接方式，减轻车辆结构的重量。如传统车辆结构的零部件连接方式多数为机械连接，但机械连接只适合用于负荷较大或可靠性要求较高的零部件，对其他零部件不太适用。轻量化设计中，设计者可以根据不同部位的特性，综合选择机械连接、胶贴、混合连接等方式。如零部件的负荷较小，构件轻薄，使用时所处环境条件良好，可以采用胶粘的方式进行连接。4 车辆结构轻量化设计方法（1）选用轻量化材料 在车辆结构轻量化设计中，材料轻量化是最基础的一项工作。车辆结构设计中，结构中的各个部位实现轻量化设计，都要将轻量化材料的使用作为首要条件，只有在确定轻量化的材料后，才能从结构角度进行优化，达到减轻车辆结构自重的目标。例如，铝、镁、钛合金等金属的密度较小，质量较高，在车辆结构轻量化设计中使用这些材料，能降低车辆结构的自重，保证车辆的整体性能，车辆结构轻量化设计中，常见轻量化材料有以下几种：新型钢材 新型钢材在车辆结构的车身和底盘设计中是主要的材料，具有良好的钢延展性，能满足车辆在行驶时对各类构件强度与刚度的要求。在国内汽车市场上，多数品牌都使用的是传统钢材，在新型钢材在市场上已占据一席之地，其组合性能与原钢相比有着更明显的优势3。新型钢材在传统钢材基础上进一步提升性能，部分材料的屈服强度可超过 1000 兆帕，例如高强度钢板、热冲压成型钢和高强度铸铁等。虽然其成本较普通钢材有所上升，但与轻质复合材料相比，仍具有较高性价比。高等强度钢材在汽车底盘横梁加强板、悬架支架、发动机支架等部件的应用范围广泛。例如，Outokumpu 供公司研发的 Forta 系列新型钢材，其融合了合金元素全奥氏体组织与强化机制等特点，能在实现车辆结构轻量化的基础上，提高车辆的碰撞性能，将此类材料用于制作车身、底盘等，可以提高车辆的使用安全性。奥迪全新一代 A8 就改变了二十多年来沿用的全铝合金车身设计。在全新 A8 的车体内，40%的车身结构部件将采用钢铁材质，17%的车身结构部件将由热成形钢（PHS）打造，其屈服强度高达 1500 兆帕，相较于全铝合金车身，新型车身在强度上更具优势，同时实现了“相对”轻量化。尽管相较于上一代车型增重了 51KG，但车身的刚度得以显著提升，安全性能大幅加强，同时成本大幅降低。铝和铝合金 铝是常用的工业金属，铝与钢拥有同样的机械性能，但铝的质量远远低于钢，碰撞时铝能吸收的能量超过 50%，在使用前不需要进行防腐处理。铝和铝合金可以用于车辆结构轻量化设计，作为一种优质的轻量化材料，能有效满足车辆结构轻量化设计的需求。铝和铝合金除了能减轻车辆结构重力外，还能提高车辆的散热功能和减震功能，将其作为汽车结构的制造材料之一，可以降低车辆的生产成本。镁和镁合金 镁合金的低密度、高比强度和较大比弹性模量等特性优越，令其成为了汽车轮毂、进气歧管、离合器、传动外壳、齿轮箱等重要部件的理想材料。相较于铝中国科技期刊数据库 工业 A-156-合金，镁合金的减重效果更是高出 15-20%。在航天领域，镁合金的应用更为广泛。此外，尽管航空领域中价格高昂的钛合金在汽车工业中的应用相对较少，但其在一些高端汽车部件中仍可见其身影。然而，尽管镁合金强度较高，其在汽车工业中的应用却相对有限。目前，全球顶级汽车中镁合金的使用量仅为 10kg，而我国自主品牌汽车中的镁合金用量更是仅有约 3kg。若要大规模推广镁合金在汽车领域的应用，在技术和成本方面仍需取得更大的突破。（2）零部件轻量化设计 汽车结构十分复杂，零部件数量庞大。轻量化设计目标下，车辆结构设计中在采用各种零部件时，要使用轻量化技术对各类零部件实施优化，积极做好轻量化设计工作，在满足汽车工程发展需求的同时，减少成本投入。设计者可以通过优化零部件结构，在相关规定下对车辆结构的零部件进行受力优化，保证各零部件的受力均衡，提高各类零部件壁厚的均匀性，逐步推动车辆零部件中空化和薄壁化发展，以此减轻零部件的重量，在车辆结构机械连接和混合连接中减轻车辆结构的自重。设计者可以通过对零部件进行整合，在保留零部件原有功能、可靠性不变的基础上，对两个或多个零部件实施一体化设计，尽量减少零部件的用量、扩展单个零部件的功能，使车辆结构在零部件优化的基础上达到预期性能4。设计者可以在深入分析车辆结构内外部各关联零件的基础上，适当优化车身、底盘、内外饰等方面的零部件结构，在此基础上减少零部件数量。设计者还可以采取车辆结构一体化设计的方式，尽量使车辆结构一次成形，减少在车辆结构各零部件连接时的重量，最大限度减轻车辆结构的质量。（3）车身系统轻量化设计 车辆结构的优化设计是轻量化设计的关键。早期，人们更是多通过反复试错达到减轻车辆结构质量的目的，但这种研发方式的效果甚微。在轻量化技术不断发展的过程中，车辆结构优化设计开始向纵深发展，利用有限元等数值方法，在计算机技术的帮助下，能帮助设计者找到一种最佳的结构设计方案，这样不仅可以减少设计成本，还能提高设计效率与质量。例如，设计者可以对车身尺寸进行优化，通过合理设计零件厚度减轻车辆结构重量，在尺寸优化设计的基础上找到一种最佳的结构形式，去除多余零部件，充分发挥材料性能，从而实现车辆结构轻量化。车身结构非常复杂，零件较多，会涉及到众多参数、学科、材料的优化问题，设计时可能存在优化冲突的问题，通过对各类要求进行协同优化设计，能在实现轻量化设计的同时使车身性能达到最佳效果。（4）底盘系统轻量化设计 在车辆底盘系统的轻量化设计中，设计者可以采用新技术或新工艺，实现底盘结构或零部件的复合化、中空化，便于降低底盘重量，实现底盘设计轻量化的目标，从而降低车辆底盘系统的重量5。车辆底盘系统轻量化设计中，可以采用液压成形、热压成形、高压成形、粉末冶金等技术实现轻量化设计。设计者可以在底盘的成形系统上下功夫，采用封闭变截面管状扭力梁，降低扭力梁重量。变截面管状扭力梁有钢管冲压成形、热成形、液压成形扭力梁三种形式，钢管厚度在 3mm 左右，相比于传统钢板成形扭力梁，管状扭力梁的轻量化效果较强，并且还能提高零件的强度和高度，减少安装稳定杆带来的重量。设计者还可以采用压力铸造工艺引入镁合金材料，在车辆底盘系统轻量化设计中，使用镁合金、铝合金等材料制作复杂铸件、薄壁铸件、大型铸件，替代传统冲压件或加强筋焊接组合的钢质结构。例如，凯迪拉克 CTS 的空心副车架/冲压件焊接制作的发动机支架，其与冲压件焊接的支架相比质量更轻。5 展望 未来车辆结构轻量化设计，应将重点放在三个方面：（1）轻量化材料研发与应用：研发更多适用于车辆结构轻量化设计的新型材料，如钛合金、镁合金、新型塑料、纤维增强复合材料等，更多符合车辆结构设计刚度、强度和性能的轻量化材料出现，为车辆结构轻量化设计提供更多材料选择。在轻量化技术不断发展的过程中，将进行更多材料混合使用的设计理论和方法相关研究，出现更多先进的工艺方案和技术，在车辆结构不同部位采用最合适的轻量化发展，发挥各项轻量化材料的最大优势。（2）结构优化技术创新：为进一步完善车辆结构的结构优化设计方法以及拓扑优化方法，未来会将车辆结构的尺寸、形状和拓扑优化等结合起来，在车辆结构优化方案上制定更多可行的设计方案，在车辆结构优化设计上着手，更好地实现车辆结构轻量化6。（3）先进制造工艺：未来将进中国科技期刊数据库 工业 A-157-一步加强和推广激光焊接、液压成形等技术，大力开发热成形工艺、变厚度板技术等。（4）车辆安全性不断提升：未来车辆结构轻量化设计，将进一步与车辆安全问题结合起来，在优化车辆结构、采用新型材料的过程中，进一步提高车辆行驶的稳定性，增强车辆的防撞性能，为驾驶人提供更强的安全保障。结语：综上所述，车辆结构轻量化是汽车工业未来发展的主流趋势，这一做法能在保证车辆安全的基础上，减轻车辆自重、提高车辆性能。在车辆结构设计中，设计者要树立轻量化的设计意识，从车身、零部件、材料等不同角度，探索车辆结构轻量化设计的路径，路径减少车辆生产成本、提高车辆整体性能，发挥车辆节能减排的优势，更好地推动汽车工业健康发展。参考文献 1 冯 德 胜,薛 浩 祥,李 家 强,张 梦 雯,郭 晓 琴.全 塑 汽 车 风 扇 罩 的 轻 量 化 设 计 与 研 究 J.时 代 汽车,2023(23):124-126.2 赵 会 芳,田 磊,徐 亚 君.低 成 本 轻 量 化 高 环 保 材 料 在 汽 车 顶 棚 设 计 中 的 应 用 研 究 J.时 代 汽车,2023(24):153-155,162.3唐远寿,司宇,徐正萌,于硕硕,曹鹏军,栗克建,冯毅,高翔.超高强度钢在汽车轻量化中的应用及研究进展J.金属热处理,2023,48(10):247-254.4陆玉凯,熊树生,周沁悠,李锦程,宋和平.汽车轻量化技术方法研究J.时代汽车,2023(18):130-132.5赵玉梅,龙海洋.面向变量不确定性的汽车结构可靠性设计研究J.机械设计与制造 2023(18).6李作轩,贾良跃,郝佳,王超,王国新,明振军,阎艳.基于多工况关联的无人车辆车身结构轻量化优化设计J.兵工学报,2023,44(11):3529-3542.