為了在保證車輛的結(jié)構(gòu)性能（如強(qiáng)度、剛度、安全性能、疲勞可靠性和噪聲、振動(dòng)及粗糙度等）不受影響的前提下，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì)，可以采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化的材料分布以及先進(jìn)的制造工藝相結(jié)合的方法進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。這些措施將從根本上改善汽車的性能，使其成為更加安全、舒適、節(jié)能和環(huán)保的交通工具。

輕量化材料的應(yīng)用

        近年來，高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金和復(fù)合材料在汽車車身上得到廣泛應(yīng)用。這些材料的使用不僅可以大大減輕車身重量，還能通過其高強(qiáng)度、高模量和高吸能等特性提升車身的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和碰撞安全性能。在歐美和日本市場(chǎng)，一些車型如寶馬3系、福特蒙迪歐、英菲尼迪Q50和本田思域等，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用比例已超過50%。鋁合金材料已經(jīng)開始從發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板等非承載部件向加強(qiáng)橫梁等承載結(jié)構(gòu)的過渡，而一些高端車型如奧迪A8甚至實(shí)現(xiàn)了全鋁車身。鎂合金材料的應(yīng)用也從方向盤骨架、座椅骨架逐漸拓展到轉(zhuǎn)向支撐、傳動(dòng)系等關(guān)鍵零部件上。碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)從跑車、豪華車等領(lǐng)域向中高端車型延伸。綜上所述，目前常用的高強(qiáng)度材料主要包括高強(qiáng)度鋼，而常用的輕質(zhì)材料則包括鋁合金、鎂合金和復(fù)合材料等。這些材料的應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)汽車輕量化的發(fā)展。

        高強(qiáng)度鋼在汽車制造中具有許多優(yōu)勢(shì)。它不僅具備良好的韌性和強(qiáng)度，而且其性能穩(wěn)定、工藝成熟且價(jià)格相對(duì)較低，因此仍然是汽車制造的主要材料之一。目前，高強(qiáng)度鋼的劃分形式主要有傳統(tǒng)劃分方法和歐洲車身會(huì)議劃分方法。傳統(tǒng)劃分方法主要根據(jù)鋼材的屈服強(qiáng)度進(jìn)行分類，屈服強(qiáng)度低于210MPa的鋼材被歸類為軟鋼，高于550MPa的鋼材則被劃分為超高強(qiáng)度鋼，而位于210-550MPa之間的鋼材被稱為高強(qiáng)度鋼。具體的劃分方式可以參考圖1.4。

        歐洲車身會(huì)議將鋼材主要?jiǎng)澐譃楦邚?qiáng)鋼（HSS）、先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）、超高強(qiáng)鋼（UHSS）和熱成型鋼（PHS）四種類型。高強(qiáng)鋼（HSS）包括HSIF、BH和HSLA；先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）包括DP和TRIP；超高強(qiáng)鋼（UHSS）包括CP和MS；熱成型鋼（PHS）主要是Mn-B系列鋼。具體的強(qiáng)度劃分可以參考圖1.5。

        研究表明，如果鋼材的屈服強(qiáng)度每提高40-50MPa，相應(yīng)的板料厚度可以減少約15%。換句話說，每降低0.05mm的板料厚度，車身的重量可以減輕約6%左右。因此，采用高強(qiáng)度鋼材可以顯著降低車身重量，提升汽車的燃油效率和性能。.

鋁合金具有低密度、高韌性、比強(qiáng)度高、比吸能大、耐腐蝕、易回收等特點(diǎn)，在制造工藝方面已經(jīng)比較成熟，是僅次于鋼材的第二大車用材料。

鎂合金的密度僅為鋁合金的 2/3，不僅具有較大的比強(qiáng)度和比剛度，而且阻尼性能和吸能性能好，減振降噪效果較為明顯，在汽車輕量化設(shè)計(jì)中具有較大的應(yīng)用前景。

     塑料是以合成樹脂基為基體，并加入某些添加劑形成的高分子材料，由于其密度小、耐腐蝕、易成形、功能設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛用于汽車制造領(lǐng)域。在輕量化的趨勢(shì)下，塑料在內(nèi)飾件、外框架件以及功能件方面用量不斷增加，一般汽車塑料分布位置如圖 1.10 所示。

        碳纖維和玻璃纖維作為車身最常用的輕量化材料，與鋁合金和鋼相比，能夠有效減輕質(zhì)量25%-30%和 40%-60%，強(qiáng)度和剛度是鋼材的 5-7倍，而且具有較好的耐腐蝕、抗疲勞和耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)。盡管碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景，但是其發(fā)展依然存在亟待解決的瓶頸。如材料和工藝成本較高，導(dǎo)致目前主要局限在高端車型上；其生產(chǎn)效率低，不能大批量生產(chǎn)，尤其形狀復(fù)雜的零部件，需要手糊工藝完成；此外，碳纖維復(fù)合材料回收循環(huán)利用的問題也急需解決。

先進(jìn)制造工藝的應(yīng)用

        近年來，變厚度板、熱成形、液壓成形等先進(jìn)制造工藝在汽車領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，大大促進(jìn)了輕量化技術(shù)的發(fā)展。變厚板技術(shù)主要通過一定的工藝改變結(jié)構(gòu)不同部位的厚度，使材料合理分布，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)-材料-功能一體化輕量化設(shè)計(jì)。目前常用的變厚板技術(shù)包括激光拼焊技術(shù)（Tailor Welded Blanks，TWB）和連續(xù)變截面板技術(shù)（Tailor Rolled Blanks，TRB）。TWB 是通過激光焊接技術(shù)將兩種或兩種以上不同材質(zhì)和不同厚度的板材焊接在一起，實(shí)現(xiàn)不同部位具有不同性能的需求。20 世紀(jì) 80 年代，TWB 技術(shù)向著差厚板方向發(fā)展，正式應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域，通過拼接不同材質(zhì)和不同厚度的板材，減少零件數(shù)量和降低重量，使零件設(shè)計(jì)更加靈活。20 世紀(jì) 90 年代，TWB 技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車零部件。但由于 TWB 在沖壓過程中回彈量難以控制，且板材焊接處易出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，制約了其在零部件中的應(yīng)用。

        為避免TWB 的缺陷，德國亞琛工業(yè)大學(xué)提出了TRB 技術(shù)，通過實(shí)時(shí)調(diào)整軋輥間距，使得板材沿軋制方向具有連續(xù)變化的截面。采用 TRB 成形零部件，其表面質(zhì)量好， 厚度變化連續(xù)，不僅能夠滿足零部件各部位對(duì)性能的要求，而且輕量化效果較好。圖 1.12 所示為分別使用 TWB 和

TRB 制造的B 柱內(nèi)板。高強(qiáng)度板材由于屈服強(qiáng)度高，韌性性能差，采用傳統(tǒng)的冷成形技術(shù)易產(chǎn)生開裂、表面褶皺、回彈較大等缺陷，無法滿足零部件表面質(zhì)量和成形精度的要求。熱成形技術(shù)通過將傳統(tǒng)的熱鍛和冷成形技術(shù)相結(jié)合，較好地解決了高強(qiáng)度鋼成形的問題，具有成形精度高、表面質(zhì)量好和回彈小等特點(diǎn)，被廣泛用于制造 A 柱、前后防撞梁等車身結(jié)構(gòu)件。

        液壓成形技術(shù)是指通過液態(tài)傳力介質(zhì)使成形坯料貼合模具表面的一種柔性成形技術(shù)，根據(jù)坯件成形結(jié)構(gòu)，可以分為板材和管材液壓成形。液壓成形技術(shù)可以生產(chǎn)形狀復(fù)雜，難于成形零部件，并且其成形效率高、精度高，能夠有效改善零件表面質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用

        結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑之一。根據(jù)設(shè)計(jì)變量的類型，結(jié)構(gòu)優(yōu)化可分為拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和形貌優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化主要用于結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)階段，通過優(yōu)化方法確定材料在設(shè)計(jì)空間內(nèi)的合理分布，獲得結(jié)構(gòu)的載荷傳遞路徑。尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和形貌優(yōu)化主要用于結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。尺寸優(yōu)化通過對(duì)局部或整體尺寸進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。形狀優(yōu)化和形貌優(yōu)化則通過對(duì)局部或整體形狀以及形貌進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

        對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，傳統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法往往效率低下。為提高參數(shù)化零部件建模效率，快速參數(shù)化建模技術(shù)得以應(yīng)用。基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的變形技術(shù)和基于參數(shù)化幾何的變形技術(shù)是兩種常見的快速參數(shù)化建模技術(shù)，目前市場(chǎng)上有相應(yīng)的主流軟件，如DEP-Meshworks和SFE-Concept。結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，需要綜合考慮材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面的平衡。新材料的應(yīng)用促進(jìn)了新工藝的發(fā)展，同時(shí)，新工藝進(jìn)一步推動(dòng)了輕量化材料的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，兩者相互促進(jìn)。參數(shù)化建模技術(shù)能夠更好地結(jié)合新材料、新工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高建模效率，對(duì)結(jié)構(gòu)-材料-工藝一體化設(shè)計(jì)具有重要意義。

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