汽车工程中轻量化技术的应用探讨

徐蕴达

摘 要：目前，在我国汽车制造行业发展中，汽车的制造工艺在不断优化创新，其中轻量化技术的应用可以有效降低汽车的能源消耗问题，减少对环境的污染，达到节能减排的目的，比较符合我国现阶段的节能减排理念，也是我国汽车制造行业未来发展的必然趋势。基于此。本文通过分析轻量化技术在汽车工程中的应用现状，以期加强技术推广力度，充分发挥技术应用效能。

关键词：汽车工程;轻量化技术;应用现状

中图分类号：U462.2 文献标识码：A

0 引言

轻量化技术主要是对汽车设计方案进行优化调整，确保能够在满足汽车使用需求的前提下，尽可能的减轻车身的质量，从而达到控制汽车能耗、改善操作性能、降低排气污染等目的，是现阶段解决温室气体排放问题和缓解石油资源短缺的主要途径。

1 轻量化技术在汽车工程结构设计中的应用

1.1 尺寸优化

从技术发展的角度来看，其中出现最早的一项技术手段应该是汽车结构尺寸的优化，以车辆结构、零部件的规格尺寸为主要设计变量因素，如壁厚值、减重孔尺寸等。对于不同车辆在不同车况中的行驶情景进行模拟，对车辆的结构规格尺寸进行适当的调整，并实时观测汽车行驶情况与零部件运行工况，结合模拟的结果确定各项结构尺寸设计的约束条件。相关设计工作者要构建配套的函数优化模型，导入特定的数学公式，准确获取位移灵敏度、应力灵敏度、固有频率灵敏度、特征值灵敏度等计算结果，为车辆结构优化设计工作提供准确的数据支撑。例如，在进行车辆车门结构固有振动频率以及刚度调整的基础上，将车门结构的自重量进行适当减轻，但是并不会对车辆结构的质量、平稳性以及安全系数上造成任何不利的影响，进而更好地实现汽车轻量化设计的目的。除此之外，在进行汽车结构尺寸轻量化设计的过程中，参与设计的工作人员一定不能忽略特征值灵敏度、应力灵敏度与线性静力等问题。与此同时，必须要重点关注车辆在行駛过程中可能出现碰撞时车辆所具备的安全性。在出现交通安全事故、车辆与安全防护设施或是其他障碍物、车辆相撞时，由于碰撞过程是一项非线性问题，设计工作者难以准确获取车辆碰撞灵敏度等信息。针对这些情况，相关设计人员可以选择应用近似模型设计法，以此代替传统的有限元模型，准确地计算出车辆在碰撞时所产生的线性荷载值，并以此作为设计数据的主要来源和依据。

1.2 拓扑优化

在进行汽车结构轻量化设计的过程中，拓扑优化设计是设计人员将各类材料的空间分布情况为主要设计对象，导入特定算法，即可准确计算车辆结构的最佳方法和路径。与此同时，参与设计的工作人员要结合车辆的实际情况，选择适合的拓扑优化手段。例如，设计工作人员在运用变密度拓扑优化的手段时，要将设计变量当作是材料的弹性模量以及质量之间保持紧密联系状态而体现出的一种变量因素，而并不是将其看作是材料本身的实际密度。以材料插值函数为主要划分依据，针对性构建各类材料的有理近似模型、微结构惩罚模型，模型结构将直观显示不同材料分布情况下的中间密度单元、生成拓扑优化结果。除此之外，该项拓扑优化手段只能应用于中小型车辆，针对那些运用离散结构的大型客车等车型，设计人员要运用基准结构法，并对现有的基准结构进行相应的调整，即可取得拓扑结构优化的相关数据。

1.3 形状优化

在进行车辆结构轻量化设计环节中，展开形状优化设计工作的主要目的是通过对车辆整体结构与局部结构进行调整，对车辆整体结构的受力情况予以改善，使各类材料的应用性能与应用属性都能够更好地得到发挥。与此同时，设计人员要依据车辆的几何外形结构，采取最适宜的优化设计方案。例如，当车辆的几何外形不规则时，可以运用无参数形状优化的方法，对车辆的梁结构截面，减重孔的形状等结构同时进行优化设计。

2 轻量化材料在汽车工程中的应用

2.1 高强度钢

随着材料学的不断进步和发展，自从高强度钢问世以来，便在汽车制造行业中的得到了极其广泛的应用，在改善结构强度、减轻结构质量等方面也起到了重要的作用。就目前的情况来看，我们可以将高强度钢划分为先进高强钢以及普通高强钢，对于不同类型的钢材其性能和质量也存在很大的差异。根据相关调查结果表面，将车辆主体材料更换为高强度钢时，可以将车身质量缩减至车辆原质量的百分之七十五左右。以DP双相钢为例，这类钢材由马氏体以及铁素体加以组成，其中，马氏体含量在10%～15%区间范围内，并且其含量越大，则钢体的强度就会越高。此外，DP钢还具有良好的抗疲劳性与伸长性能，所以通常都被运用于车身结构中的前内纵梁、前后保险杠、中支柱里板等零部件与安全件。

2.2 塑料及复合材料

在我国汽车制造行业早期发展阶段，在塑料与纤维复合材料的生产方面的工艺并不成熟，材料的性能和质量也相对较差，在制造的成本方面也比较昂贵。但随着材料学的快速进步，以及在生产工艺上的优化和调整，塑料与复合材料已经渐渐成为汽车车身结构所运用的主要材料，在能够确保车身结构性能质量的基础上，还能在很大程度上降低车身的质量。通过相关的调查我们发现，目前，各类塑料与复合材料在车身结构中的平均使用量已经超过160 kg，几乎占据车身整体质量的百分之二十以上。例如，对聚丙烯、聚碳酸酯等材料被广泛用于车身结构中的脚踏板、遮阳板、护板、发动机罩、后牵门等位置;而长纤维热塑性复合材料则被用于车门结构、保险杠、仪表盘等位置，而在宝马I3款电动车中，以碳纤维材料为车身底盘主体材料，实际质量仅为传统底盘的一半左右。

2.3 铝合金与镁合金

与传统的钢铁材料进行对比，镁合金材料则具备非常突出的力学性能，如强度、塑性以及耐腐蚀性等。我们所熟知的客车企业在近些年所推售的最新款新能源车辆中，其车里的扶手管等元件大都采用的镁合金材料，这不仅能够在一定程度上有效的减轻了车身的实际质量，还大幅度增强了扶手管等元件的性能和质量。铝合金的最主要特点即是其在加工方面的难度较低，而且质量也比较小，也是目前汽车车身结构的主要用材之一。结合现阶段的汽车结构来看，铝合金的平均使用量已经达到180 kg，同样占据了车身总质量的百分之二十以上，多被用于制造汽车的发动机、发动机托架等位置。

3 轻量化制造工艺在汽车工程中的应用

3.1 激光焊接

激光焊接是一项比较新颖的精密焊接工艺，其热源主要是激光，该技术的主要特点在于其工艺流程简单、变形量小以及热输入小等，在汽车制造领域中也得到了更加广泛的应用，而且很快会取代传统的多种焊接工艺。例如，在变速箱齿轮焊接加工环节，运用此项焊接工艺，既可以将焊接变形问题的出现率控制在较低程度内，还可以简化尺寸焊接后热处理工序环节，客观上提高了齿轮焊接效率。

3.2 液压成型

在汽车制造领域中，与冲压工艺相比，液压成型工艺具有加工成本低、车身质量轻量化效果明显、工艺流程简单等优势，工作人员仅需将工件放置在模具中，操纵相应设备对工件进行液压处理，工件受到压力将出现塑形变形现象，加工成特定造型结构的零部件。根据相关调查结果显示，对液压成型工艺的应用，可将车身质量缩减7.5%左右、零件加工成本缩减10%。

4 结束语

综上所述，为推动汽车制造行业的现代化进程，贯彻落实我国可持续发展战略目标，各企业必须加强对轻量化技术的应用力度，灵活运用各项技术手段，深入挖掘技术潜在应用价值，推动汽车设计制造体系的轻量化、集成化与系统化发展。

参考文献：

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