轻量化钢板材料及成形技术在汽车车身上的应用研究

梁艳来

(重庆工商职业学院，重庆 400052)

1 轻量化技术

1.1 汽车轻量化的概念提出

轻量化技术制造的汽车能够在提高汽车操控性能的同时，具有较好的节约油耗表现。因为汽车油耗主要取决于发动机的排量与汽车的总重量，在保证汽车质量、性能与性价比的同时，汽车轻量化能够有效提升汽车的输出功率、车速，降低运行噪声、降低油耗以及减少废气排放等特点。相关数据表明，当汽车的整理重量降低100kg，其燃油效率能够提高0.4L/100km，排放量能减少大约1kg。其中，汽车车身约占汽车总重量的30%。那么在汽车空载情况下，有超过70%的油耗是消耗在车身重量上。基于此，研究汽车轻量化能够有效提升对于整车的燃油经济效益、车辆控制的稳定性以及汽车运行安全性等都大有帮助。据美国能源部估计，到2050年前后美国国内汽车生产将实现车身减重65%以上(图1)。

图1 美国能源部预计车身减重指标

1.2 汽车轻量化的发展进程

汽车轻量化是当前国际汽车制造领域发展的重要领域之一，为此诸多国家都投入了相当大的人力、物力以及资金致力于此方面的研究。早在1994年，国际钢铁协会就启动了在汽车制造领域著名的研究项目——ULSAB。此项目当时汇聚了超过18个国家的35个钢铁企业，旨在以减轻钢铁材质重量、提高钢材结构强度、提高钢材安全性能、简化制造工艺并降低其生产成本为目标。随后在1998年前后，国际钢铁协会又进一步启动了ULSAC项目，实现了与同类型车型相比，减重比例超过32%。与此同时，美国为提升国内汽车产业的国际竞争力启动了PNGV计划，并最终在当时实现了减轻自重40%的比例。2005-2009年间，来自欧洲9个国家37个顶尖机构参与的“Super LIGHT-Car计划”开始进入研发。其主要的重点研究领域则是紧凑型量产车型的轻量化技术研究，最终通过使用不同材料的搭配组合实现了减轻重量约37%。同时，为进一步实现“减重提质”的目标，诸多钢铁企业也开始进行独立化的研究之路。在2007年世界联合国气候变化大会上，国际钢铁协会宣布了新型汽车制造计划——“FSV-未来钢铁汽车”计划。该计划提出了进一步明确汽车轻量化的“钢制一体化汽车车身理念”。而在当时，包括我国宝山钢铁股份有限公司和鞍钢集团有限公司在内的国内外16家知名钢铁公司，共同开展生产轻量化汽车的材料解决方案。在我国扬州市举办的2019年第十三届国际汽车轻量化大会上，吸引了国内外诸多学者的参与。截止目前，我国已经形成了从整车到配套设施，从汽车生产到技术研发于一体的汽车产业生态链条，形成了车门防撞梁、座椅骨架、车门板、异种材料连接等轻量化技术国家重点成果。

2 轻量化钢板材料及成形技术在汽车车身上的应用

2.1 轻量化结构设计的应用

结构设计优化是当前实现汽车轻量化的最常见手段之一。具体而言就是在固定约束条件下，实现质量最轻、成本最小、强度最大等目的，利用CAD、CAE和CAM等一体化技术，从而在设计上体现轻量化理念。当前各大汽车生产企业也对汽车的轻量化结构优化给予了高度重视。当前国际主流的结构优化设计方法为形状优化法、尺寸优化法、拓扑优化法和形貌优化法等方法。以拓扑优化法为例，连续拓扑优化法是在给定区域内，在满足一定约束条件的基础上，通过优化搜索方法从而得出车身材料的最佳配比。当前拓扑优化法中常用的技巧主要有3种，分别是均匀法、渐进结构优化法以及水平集方法。离散结构拓扑优化法则是将汽车结构使用最优算法进行求解。随着拓扑优化法的逐渐应用，渐渐形成了汽车车身拓扑优化流程，具体如图2所示。

图2 汽车车身拓扑优化流程示意图

2.2 制造工艺的整体应用

当前，除了针对于传统钢材以及铝镁合金等汽车车身材料的直接应用域外，各国汽车企业还开发出了诸多先进的制造工艺来进一步降低汽车的生产成本与车身整体重量。主要包括下列几种工艺：第一，液压成型工艺。液压成型是指将准备代加工的关键钢材或其它复合型钢材放置于密闭的模具当中，然后将其材料一体化成型，极大地提高了车身材料的牢固性与安全性，也进一步减少了因焊接问题导致的车身重量加重的问题。液压成型工业能够极大地替代传统的汽车加工模式，例如发动机支架、后桥和排气系统等等。第二，激光焊接工艺。激光焊接主要是指将各类复合型钢板通过激光进行拼焊，从而在物力构造上改变汽车车身的使用性能，同时在很大程度上能够提升车身减重比例，最终使得汽车整体安全性和适用性得到较大提升。