汽车轻量化技术综述

        为了在保证车辆的结构性能（如强度、刚度、安全性能、疲劳可靠性和噪声、振动及粗糙度等）不受影响的前提下，实现汽车轻量化设计，可以采用合理的结构设计、优化的材料分布以及先进的制造工艺相结合的方法进行减重设计。这些措施将从根本上改善汽车的性能，使其成为更加安全、舒适、节能和环保的交通工具。

轻量化材料的应用

        近年来，高强度钢、铝镁合金和复合材料在汽车车身上得到广泛应用。这些材料的使用不仅可以大大减轻车身重量，还能通过其高强度、高模量和高吸能等特性提升车身的静态、动态和碰撞安全性能。在欧美和日本市场，一些车型如宝马3系、福特蒙迪欧、英菲尼迪Q50和本田思域等，高强度钢的应用比例已超过50%。铝合金材料已经开始从发动机罩、翼子板等非承载部件向加强横梁等承载结构的过渡，而一些高端车型如奥迪A8甚至实现了全铝车身。镁合金材料的应用也从方向盘骨架、座椅骨架逐渐拓展到转向支撑、传动系等关键零部件上。碳纤维复合材料已经从跑车、豪华车等领域向中高端车型延伸。综上所述，目前常用的高强度材料主要包括高强度钢，而常用的轻质材料则包括铝合金、镁合金和复合材料等。这些材料的应用将进一步推动汽车轻量化的发展。

        高强度钢在汽车制造中具有许多优势。它不仅具备良好的韧性和强度，而且其性能稳定、工艺成熟且价格相对较低，因此仍然是汽车制造的主要材料之一。目前，高强度钢的划分形式主要有传统划分方法和欧洲车身会议划分方法。传统划分方法主要根据钢材的屈服强度进行分类，屈服强度低于210MPa的钢材被归类为软钢，高于550MPa的钢材则被划分为超高强度钢，而位于210-550MPa之间的钢材被称为高强度钢。具体的划分方式可以参考图1.4。

        欧洲车身会议将钢材主要划分为高强钢（HSS）、先进高强钢（AHSS）、超高强钢（UHSS）和热成型钢（PHS）四种类型。高强钢（HSS）包括HSIF、BH和HSLA；先进高强钢（AHSS）包括DP和TRIP；超高强钢（UHSS）包括CP和MS；热成型钢（PHS）主要是Mn-B系列钢。具体的强度划分可以参考图1.5。

        研究表明，如果钢材的屈服强度每提高40-50MPa，相应的板料厚度可以减少约15%。换句话说，每降低0.05mm的板料厚度，车身的重量可以减轻约6%左右。因此，采用高强度钢材可以显著降低车身重量，提升汽车的燃油效率和性能。.

铝合金具有低密度、高韧性、比强度高、比吸能大、耐腐蚀、易回收等特点，在制造工艺方面已经比较成熟，是仅次于钢材的第二大车用材料。

镁合金的密度仅为铝合金的 2/3，不仅具有较大的比强度和比刚度，而且阻尼性能和吸能性能好，减振降噪效果较为明显，在汽车轻量化设计中具有较大的应用前景。

     塑料是以合成树脂基为基体，并加入某些添加剂形成的高分子材料，由于其密度小、耐腐蚀、易成形、功能设计性强等特点，被广泛用于汽车制造领域。在轻量化的趋势下，塑料在内饰件、外框架件以及功能件方面用量不断增加，一般汽车塑料分布位置如图 1.10 所示。

        碳纤维和玻璃纤维作为车身最常用的轻量化材料，与铝合金和钢相比，能够有效减轻质量25%-30%和 40%-60%，强度和刚度是钢材的 5-7倍，而且具有较好的耐腐蚀、抗疲劳和耐冲击等优点。尽管碳纤维复合材料在汽车轻量化领域具有较好的应用前景，但是其发展依然存在亟待解决的瓶颈。如材料和工艺成本较高，导致目前主要局限在高端车型上；其生产效率低，不能大批量生产，尤其形状复杂的零部件，需要手糊工艺完成；此外，碳纤维复合材料回收循环利用的问题也急需解决。

先进制造工艺的应用

        近年来，变厚度板、热成形、液压成形等先进制造工艺在汽车领域中广泛应用，大大促进了轻量化技术的发展。变厚板技术主要通过一定的工艺改变结构不同部位的厚度，使材料合理分布，实现结构-材料-功能一体化轻量化设计。目前常用的变厚板技术包括激光拼焊技术（Tailor Welded Blanks，TWB）和连续变截面板技术（Tailor Rolled Blanks，TRB）。TWB 是通过激光焊接技术将两种或两种以上不同材质和不同厚度的板材焊接在一起，实现不同部位具有不同性能的需求。20 世纪 80 年代，TWB 技术向着差厚板方向发展，正式应用于汽车制造领域，通过拼接不同材质和不同厚度的板材，减少零件数量和降低重量，使零件设计更加灵活。20 世纪 90 年代，TWB 技术广泛应用于汽车零部件。但由于 TWB 在冲压过程中回弹量难以控制，且板材焊接处易出现硬化现象，制约了其在零部件中的应用。

        为避免TWB 的缺陷，德国亚琛工业大学提出了TRB 技术，通过实时调整轧辊间距，使得板材沿轧制方向具有连续变化的截面。采用 TRB 成形零部件，其表面质量好， 厚度变化连续，不仅能够满足零部件各部位对性能的要求，而且轻量化效果较好。图 1.12 所示为分别使用 TWB 和

TRB 制造的B 柱内板。高强度板材由于屈服强度高，韧性性能差，采用传统的冷成形技术易产生开裂、表面褶皱、回弹较大等缺陷，无法满足零部件表面质量和成形精度的要求。热成形技术通过将传统的热锻和冷成形技术相结合，较好地解决了高强度钢成形的问题，具有成形精度高、表面质量好和回弹小等特点，被广泛用于制造 A 柱、前后防撞梁等车身结构件。

        液压成形技术是指通过液态传力介质使成形坯料贴合模具表面的一种柔性成形技术，根据坯件成形结构，可以分为板材和管材液压成形。液压成形技术可以生产形状复杂，难于成形零部件，并且其成形效率高、精度高，能够有效改善零件表面质量，提高结构强度和疲劳寿命。

结构优化技术的应用

        结构优化技术是实现汽车轻量化的重要途径之一。根据设计变量的类型，结构优化可分为拓扑优化、尺寸优化、形状优化和形貌优化。拓扑优化主要用于结构的概念设计阶段，通过优化方法确定材料在设计空间内的合理分布，获得结构的载荷传递路径。尺寸优化、形状优化和形貌优化主要用于结构的详细设计阶段。尺寸优化通过对局部或整体尺寸进行改进，达到结构设计的要求。形状优化和形貌优化则通过对局部或整体形状以及形貌进行改进，进一步优化结构设计方案。

        对于结构复杂的零部件，传统的参数化设计方法往往效率低下。为提高参数化零部件建模效率，快速参数化建模技术得以应用。基于网格节点的变形技术和基于参数化几何的变形技术是两种常见的快速参数化建模技术，目前市场上有相应的主流软件，如DEP-Meshworks和SFE-Concept。结构轻量化设计是一项综合的多学科优化设计方法，需要综合考虑材料、工艺、结构等方面的平衡。新材料的应用促进了新工艺的发展，同时，新工艺进一步推动了轻量化材料的应用范围扩大，两者相互促进。参数化建模技术能够更好地结合新材料、新工艺进行结构优化设计，提高建模效率，对结构-材料-工艺一体化设计具有重要意义。

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