多材料结构汽车车身的轻量化设计研究

田 萌

（河南工业贸易职业学院，河南 郑州 451191）

1 车身轻量化设计研究的背景及意义

十九世纪初，在美国的亨利福特将汽车生产方式改成流水线的生产方式之后，美国同年的汽车生产率提高了十几倍，并且价值从最先近千美元直降到三百美元。从那以后，汽车对每个美国人来说就不再是稀有物品，而是家家户户都可以拥有的交通工具。自此，汽车产业也逐渐成为全世界经济来源的主要产业。然而，大量的汽车使用也导致环境污染问题和能源紧张趋势。自汽车大规模生产投入使用后，全球的石油需求与石油供给出现严重的不平衡，油价增长成为无法避免的趋势，并且汽车尾气排放导致的环境问题，如：温室效应，臭氧破坏等，使行业内人员思考如何继续优化汽车性能，减少能源的损耗以及对环境的污染问题。而本文研究的车身轻量化就是降低燃油消耗，减少废气排放的有效措施之一。

2 车身轻量化的主要途径

车身轻量化主要途径包含三个方面：第一，是对车身结构优化设计；第二，在材料方面使用轻量化材料，来实现车身的减重；第三，利用先进的工艺技术以及器件衔接工艺也能实现车身轻量化。首先，在车身结构优化设计方面，主要是指在前期还未投入生产时，通过计算机的CAD/CAE等科技数值模拟技术对车身进行分析，再利用现代优化技术实现对车身的优化，减少不必要的材料使用，尽量使器件的使用达到小型化甚至中空，达到减轻车身重量的目的。其次，使用轻量化材料，这是实现汽车轻量化的主要手段之一，目前在全世界使用较多的轻量化材料有铝合金、镁合金、塑料以及合成材料等，然而，由于钢材材料的各种优越性能，不管是在刚度还是强度以及回收利用等方面，使得其仍然是目前使用较为广泛的汽车制造材料。最后，优化生产制造工艺，只要是靠器件的部件，部件之间的连接多是以焊接的方式，因此在焊接方面可使用现在的激光焊接技术来提高部件之间的强度，从而减轻车身重量。

3 汽车车身轻量化的研究现状与发展

本文以汽车车身为研究对象，研究如何将合适的材料用于合适的部位，综合考虑车身结构性能、质量及成本，研究多材料车身轻量化的设计方法。通过阐述汽车车身轻量化的研究背景及意义，分析汽车车身轻量化的研究及发展现状，讨论车身轻量化的重要性，继而介绍多材料轻量化车身的概念，指出对材料轻量化车身设计方法进行深入研究的重要性。重点对汽车车身结构性能分析，计算灵敏度，阐述汽车车身结构性能的基本理论以及在这个基础上建立起一系列的数学分析模型和汽车正面碰撞的有限元模型，计算和分析车身的刚度和正面碰撞性能，并且从车身多材料的角度，对车身进行合理的分解剖析计算，对所研究的车的车身结构状况作出详尽介绍，为后续优化提供基础的车身分析。

3.1 轻量化车身结构分析与优化技术

自21世纪以来，新兴产业技术的发展给众多行业带来了质的变化，结构分析和优化技术日趋成熟，并且在车身设计上应用，使设计成本减少及缩短车身结构的开发周期成为可能，避免了设计的盲目性。这种以有限元方法为主体的车身结构分析方法成为车身优化设计技术的主要分析手段。在早期的车身优化结构分析，主要是依靠数学理论和有限元方法相结合，利用数学计算方法构建车身结构优化模型，然而随着结构能力和手段的不断发展，以及现代理论的不断完善，车身结构优化研究的范围已从刚度以及模态这一层面过渡到结构性能优化的设计。在这个过程中，有限元方法与计算机辅助优化技术相结合，成为车身结构优化设计的有效方法。

汽车车身结构分析，以车身各个配件为对象，进行材料优选，然后综合分析。汽车的车身本体包括支柱、梁以及加强板等各个部位，包括车身覆盖件。所谓的车身覆盖件主要指车身内部结构的板件和支撑起车身结构零件的总和。而梁和支柱作为车身的主要车身结构，构成车身的框架结构，使车身形成一个完整的封闭体。

本文研究的车身设计，以全载乘式车身为研究对象。全载乘式，即要求在使用的过程中，包括扭转、弯曲以及碰撞过程中高轻度负荷下，车身结构仍能按照预期的情况变形减速为乘员提供一个安全的生存空间和保证乘坐室的完整。

图1 承载式车身结构图

承载式车身的汽车在平直路上行驶很平稳且固有频率低、噪声小、重量轻，广泛应用于轿车上。当然底盘的强度是不及有大梁结构的非承载式车身，在车的四个车轮受力不均匀时，车身会发生变形。

图2 车身材料结构示意图

并不是车身所有的材料强度越高越好，具体要根据部件。如驾乘室的框架，为了使驾车室的空间尽量不变形，保证驾乘人员安全，就必须采用高强度的材料。如车前和尾部的材料（如引擎盖板、翼子板等），为了能够吸收撞击力，可以使用强度相对较低的材料。

3.2 轻量化材料及其在车身制造中的应用

目前，随着国内外企业公司对车身材料的研究，使得铝镁等合金的使用日益增加，铝合金以及镁合金的优越性能成为车身材料的首先选择。随着政府及民众对汽车能源及环保方面的要求逐渐增高，出现一些新的车身材料的研究，主要有高强度钢材料在车身中的运用。从最先的高强度钢研发出来的到后期超高强度钢材料在车身上的应用。高强度钢材料，无论是在减少车身重量还是提高汽车碰撞安全性，都是首选的，都已取得良好的轻量化效果。而在车身制造中的应用，主要包括车门，车门外板甚至是车轮，都采用了高强度钢材料。而铝合金材料由于良好的机械性能以及耐腐蚀性能，导热性能和回收性，其在车身轻量化中的应用主要在车身内板和外板上。

3.3 基于多材料的轻量化车身

针对车身的面料结构以及基础性能的分析，在面向轻量化的车身板壳设计部件选材与设计方面，主要以车门的设计和选材为例，针对大型板壳类部件的材料选择方法展开研究。此外在车身材料与结构组合优化设计方面，建立系列的车身材料与结构组合优化设计的数学模型，利用神经网络建立起约束方程，提高有限元的计算次数，采用多目标的遗传算法求解。

轻量化材料的优越性能使得其成为优化车身以及减轻车声质量的首要选择材料，但是由于其成本远远高于普通车身材料，如低碳钢材料，导致由轻量化材料车身的成本比现有的钢的成本高很多，高额的成本也是目前阻碍铝合金、镁合金以及复合材料等轻量化车身广泛应用的重要原因。由此，将钢材料以及轻质材料共同结合使用优化车身的多材料结构设计方案，成为今后车身发展的主要方向。由于车身结构复杂，导致组成车身零件的选择也多种多样，且消费者对车身各个部件的性能要求都不一样，使得多材料轻量化车的设计成为可能。将合适的材料用在合适的部位，这就是多材料结构车身设计的核心思想。分析的过程中较多地采用数学模型与数据和图像相结合的方法，分析车身结构性能的最优化并且将车身分解为两大类，对这两大类也进行了结构分析以及 适用材料最优分析，另外，以汽车的车门为研究对象，分析了汽车车身的材料选择，寻找合适的材料。多材料的车身设计研究结果表明，相对于单一材料结构车身，将合适的材料运用在合适的部位，就是实现较好的汽车车身轻量化效果与单一的材料车身相比较，对材料结构车身能够将每一种材料分配在其合适的部位，充分发挥各种材料的优点，在满足各零件部位性能的前提下，以最小的代价获取更大的轻量化效果。

综合多方面的车身因素，对多材料结构汽车车身的轻量化设计研究，可以通过多方面的理论知识与数学模型建立分析结构，针对车身的基础问题分析，作出优化方案最后进行车身轻量化设计前后对比，将车身轻量化设计结果综合分析。

4 总结

汽车车身的轻量化设计研究是目前各大汽车行业工程所要研究的主要课题之一，在优化设计的过程中，也将性能和成本作为约束条件。而采用多材料车身则可以发挥各种材料的优势，真正做到物尽其用，为每个零件选择合适的制造材料，确定优化设计的组合，综合发现问题所在。多材料车身设计对日后汽车行业的发展就具有鲜明的指导作用，也代表了今后车身结构一种发展趋势。