汽车工程中轻量化技术的应用探讨

赵博宇

摘要：在我国汽车制造行业发展中，汽车制造工艺不断优化创新，其中轻量化技术可以有效降低汽车能源消耗，改善生态环境，达到节能减排的目的，与我国可持续发展理念相符合，是我国汽车制造行业未来主要发展趋勢。因此，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

引言：轻量化技术是对汽车设计方案进行优化调整，在满足汽车使用需求基础上，尽可量减轻车身质量，从而实现控制汽车能耗、改善操作性能、降低排气污染等目的，是当前解决温室气体排放问题和缓解石油资源短缺矛盾的主要途径。

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

从技术发展角度来看，汽车结构尺寸优化是最早出现的一项技术手段，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。模拟不同的车辆行驶情景，对车辆结构规格尺寸进行适当调整，同步观测汽车行驶情况与零部件运行工况，根据模拟结果明确各项结构尺寸设计的约束条件。设计人员构建配套的函数优化模型，导入特定数学公式，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，为车辆结构尺寸优化设计工作指明方向、提供参考数据。例如，在适当上调车辆车门结构固有振动频率以及刚度的基础上，将车门结构自重量进行适当减轻，并不会对车辆结构质量、安全系数造成负面影响，可实现汽车轻量化设计目的。

此外，在汽车结构尺寸轻量化设计过程中，设计人员既要考虑到特征值灵敏度、应力灵敏度与线性静力等问题，同时，重点考虑车辆在行驶过程中的碰撞安全性。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、车辆相碰撞时，由于碰撞过程是一项非线性问题，设计人员难以准确获取车辆碰撞灵敏度等信息。针对于此，技术人员可选择采取近似模型设计法、以此替代传统的有限元模型，准确计算车辆在碰撞时产生的线性荷载值，以此为主要设计依据。

1.2.拓扑优化

在汽车结构轻量化设计中，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传力路径。同时，设计人员应结合实际情况，选择适当的拓扑优化方式。例如，设计人员在采取变密度拓扑优化法时，将设计变量视作为材料的弹性模量以及质量之间保持关联状态而形成的一种变量因素，而不是将其视作为材料真实密度。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。此外，这一拓扑优化方法仅适用于中小型车辆，针对采取离散结构的大客车等车型，设计人员采取基结构法，对现有基准结构进行适当调整，即可获取拓扑结构优化数据。

1.3.形状优化

在车辆结构轻量化设计环节中，开展形状优化设计工作的核心目的是通过调整车辆整体与局部结构，对车辆结构受力情况加以改善，充分发挥各类材料的应用效能与属性。同时，设计人员应根据车辆几何外形结构，选择适当的优化设计方式。例如，当车辆几何外形结构不规则时，采取无参形状优化法，对车辆的梁结构截面、减重孔形状等目标同时进行优化设计。

2、轻量化材料在汽车工程中的应用

2.1.高强度钢

随着材料学的不断发展完善，高强度钢自问世伊始便在汽车制造行业中得到广泛应用，对改善结构强度、减轻结构重量有着重要意义。目前来看，高强度钢主要分为先进高强钢以及普通高强钢，不同类型钢材的性能质量有所不同。根据相关调查结果显示，将车辆主体材料更换为高强度钢时，可将车身质量缩减至原重量的75%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，其含量越大、则钢体强度越高。同时，DP钢还具有良好的抗疲劳性与伸长性能，被广泛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，塑料与纤维复合材料的生产工艺不成熟，材料性能质量较差、制造成本较为高昂。而随着材料学的不断发展，以及生产工艺的优化完善，塑料与复合材料已逐渐成为汽车车身结构的主体材料，在满足车身结构性能质量的同时，还可以大幅降低车身质量。根据相关调查结果显示，各类塑料与复合材料在车身结构中的平均使用量已超过150kg，占据车身质量的20%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、后牵门等部件。而长纤维热塑性复合材料则被用于车门结构、保险杠、仪表盘等部件。而在BMW 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50%左右。

2.3.铝合金与镁合金

与传统的钢铁材料相比，镁合金材料具有极为优异的力学性能，如强度、耐腐蚀性、塑形等等。福田欧V客车公司近年来在所发行各款新能源客车中，选择大规模使用镁合金材料制作扶手管等部件，不但做到了对车身质量的有效减轻，还大幅增强了扶手管等部件的性能质量。铝合金则具有加工难度低、质量小等优势，是当前汽车车身结构的主体材料。根据相关调查统计结果显示，铝合金平均用量已达到180kg，占据整车质量的20%以上，被广泛用于制作发动机缸体、发动机托架等零部件。

3、轻量化制造工艺在汽车工程中的应用

3.1.激光焊接

激光焊接是一种全新的精密焊接工艺，以激光为主要热源，这项技术具有工艺流程简单、变形量小、热输入小等应用优势，在汽车制造领域中得到广泛应用，已逐渐取代传统的各项焊接工艺。例如，在变速箱齿轮焊接加工环节，对这项焊接工艺的应用，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%。

结语：综上所述，为推动汽车制造行业的现代化发展，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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[3]郭韦华.轻量化技术在汽车工程中的应用[J].工程技术研究，2020，5（03）.