汽车车身轻量化研究与创新应用

汽车车身轻量化研究与创新应用

范涛涛李鑫

长城汽车股份有限公司（河北省汽车工程技术研究中心）

摘要：轻量化是汽车节能减排的重要技术路径，车身轻量化相比其它性价比更高。文章探索了车身轻量化的技术路线，该技术路线通过轻量化设计、轻量化材料和轻量化工艺来实现。通过此方法的研究并在实际项目中得以应用，实现了在满足性能要求的情况下降低车身重量的目的，使车身轻量化技术水平和车身开发能力得到提升。

关键词：汽车；车身轻量化；创新；应用

引言

在车身轻量化开发的道路上，许多主机厂对轻量化的都有各自的研究，轻量化技术已成为汽车企业的核心竞争力。本文根据多款车型开发经验，将轻量化设计过程更加系统的整理和总结，结合本公司车身开发流程，明确轻量化管理的要点，主要从以下几方面详细介绍：管理流程、路径分析、过程监控、数据曲线分析等。

1车身轻量化的基础

车身轻量化必须在保证汽车安全性的前提下，同时达到车身刚度、疲劳耐久性、操控稳定性和振动舒适性等要求。

1.1车身结构安全

车身结构安全属于汽车的被动安全范畴，目的在于保护车内乘员的安全。自20世纪50年代起，许多国家陆续开始制定汽车被动安全法规。目前各国汽车被动安全法规有：美国联邦机动车法规体系（FMVSS）和欧洲法规体系（ECE/EEC）。而我国强制性汽车被动安全标准（GB）主要是参考欧洲法规体系。另外还有各国的新车评价体系（NCAP）全面地为消费者提供汽车安全性能方面的信息。车身结构安全直接影响到汽车是否满足这些被动安全法规。其包括正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞、翻滚和低速碰撞等。车身结构在设计上一般分为低速行人保护区，相容吸能区和乘员保护区。

1.2车身刚度

评价车身结构力学性能的主要指标是车身刚度，包括动态刚度和静态刚度，静态刚度又包含扭转刚度和弯曲刚度两个方面。在车身轻量化中，必须保证达到车身刚度的要求，这样才能使汽车的疲劳耐久性和振动舒适性等不受影响。

2车身结构的优化设计

车身结构优化设计，即利用CAD精准三维建模，利用有限元法和优化设计法，对车身结构的力学性能进行分析和优化设计。

2.1车身的拓扑优化

拓扑优化多用在结构的概念设计阶段。其主要思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题．采用少数变量控制大量参数变化的技术，使得多参数优化后台自动运行变为现实，在概念设计阶段能够快速提供最佳设计方案和可行性分析，节省研发时间和成本。目前常用的连续体结构拓扑优化方法有变厚度法、变密度法及均匀化法等。

2.2灵敏度分析

灵敏度分析方法以白车身主要模态特性和静态刚度特性为主要约束条件，在保证白车身一阶扭转模态频率、一阶弯曲模态频率、扭转和弯曲刚度特性基本不变的情况下，分析白车身各零部件的贡献比例，对白车身相关性能影响较小的零部件进行减重，有时还需要对白车身相关性能贡献较大的零部件进行加强，优化调整各零部件的材料料厚，从而达到减重目的。（1）全参数化模型：将车身全参数化模型的质量、模态、刚度与原始白车身模型比较，将误差控制在4%以内。（2）设定减重目标：以车身模态和刚度等为约束条件，对车身的主断面、车身的结构形式、材料型号和厚度进行优化，达到车身设定的减重目标；优化完成后，白车身的扭转和弯曲刚度值不低于原始模型的值，白车身的整体模态频率不低于原始模型的整体模态频率，振型在合理范围内基本不变；材料型号和厚度应符合实际钢板材料的规格，车身主断面和结构形式的优化应在总布置要求的合理范围内进行。（3）模型的建立与验证：对基准模型进行模态、刚度和质量等模拟计算，并与原模型计算结果比较，验证全参数化模型的准确性和简化的合理性，以确保后续优化结果的准确性。（4）灵敏度分析：某款车型车身部分零部件料厚与车身扭转和弯曲刚度之间的灵敏度关系为：①绝对值大的数说明该料厚对车身扭转和弯曲刚度的影响比较大；②绝对值小的数说明该料厚对车身的扭转和弯曲刚度的影响比较小；③数为负值表示增加该料厚反而使车身的扭转和弯曲刚度减小。

2.3形貌和尺寸的拓扑优化

形貌和尺寸的拓扑优化是通过改变零件局部形状及尺寸来达到提高车身性能的目的，比如对零件的加强筋形式、走向、位置和深度等参数进行优化。某款车设计要求后地板模态大于55Hz，且避开90-110Hz区域。

3轻量化技术的创新应用

轻量化材料、轻量化设计和轻量化工艺在整车开发中不是孤立应用，是相辅相成的。因此整车开发中要统筹考虑才能获得最佳轻量化效果。在车型自主研发中，要充分运用科学手段，在正向开发过程中确保设计的轻量化。

3.1车身结构设计优化应用

在车身结构设计方面，采用拓扑优化、参数化快速模型及多学科参数优化等方法，对白车身进行载荷传递路径设计、优化与验证。利用辅助开发工具和评价体系，通过整车集成式的优化手段来完成减重目标，优先考虑结构优化。在项目开发过程中，采用了同一个模型中同时考虑结构、碰撞、NVH等多工况要求的优化方法，使减重结果更易于在整车开发中实施，并且通过对整车布置的不断调整，以及结构设计形式的调整，使减重方案效率更高、更有利于低成本高质量地完成减重目标。

3.2高强钢材料应用

新一代产品车身高强度钢材使用比例达72%（比上代提升15%），其中超高强度钢达23%。高强度钢的运用在减重的同时更可提高零件的强度，满足更高要求的安全性能；超高强钢分布在关键传力路径上，用以最小化碰撞中乘员舱的变形；运用QP980第三代钢实现成本与重量的有效平衡。

3.3全铝前盖应用

相比传统的铁盖，采用铝制前盖能够减重5.3kg以上。在设计铝合金发动机舱盖时结合铝合金的特性，通过造型、布置和结构优化，质量效率在市场上做到了最优，并且满足行人保护等要求。铝板的成型性和包边性能较钢板都要差，存在烘烤变形的问题。通过材料和设计解决了成型性和包边开裂等问题，同时引入了烘烤变形流程，使变形量控制在一个很小的范围。

3.4轻量化工艺应用

由于新型材料的应用，随之而来的是连接技术的快速发展。减少零件数量的液压成型、省去焊接翻边的车顶激光钎焊以及提升强度的辊压成型在产品工艺技术中已被普遍应用。

结语

车身轻量化技术是轻质材料、结构优化设计和先进制造工艺的集成应用。得益于近年来新材料研究的迅速发展，轻质材料可选范围不断扩大，但是目前高强度钢仍是最主要的应用最多的轻质材料。而结构优化设计则要依托CAE的辅助，不断采用更高效的仿真计算和优化方法，创新设计出更轻量化的结构是发展方向。而通过先进制造工艺实现轻量化，对厂家的制造工艺水平要求较高，因此国外欧美汽车制造商和国内合资厂运用较多。如何实现汽车的轻量化，达到最好的节能环保效果，应该根据产品定位，优化设计能力和制造工艺水平进行整体考虑，同时考虑成本因素，在满足车身刚度、结构安全性、疲劳耐久性、操控稳定性等前提下，选择最合适的轻量化途径，最终增强产品的竞争力。同时，随着汽车轻量化成为当前国家汽车工业的发展战略和现代汽车工业技术的发展方向，以及电动汽车的蓬勃发展，轻量化任务将更加艰巨。设计方法、轻量化的材料选用以及先进的成型和连接工艺等基础学科必将继续创新迭代，不断应用到新产品中，为节能减排、造福社会做出更大贡献。

参考文献：

［1］陈东平，沈建东，王镝．基于平台带宽的车身效率综合评价［J］．汽车工程学报，2017，2（6）：452-457．

［2］宋思川，陈龑，姜峻岭，等．QP980钢在车身轻量化开发中的应用［J］．现代制造工程，2017（1）：51-54．

［3］赵常虎，王镝，陈丽华，等．HPDC技术在车身结构件上的开发和试验认证［J］．上海汽车，2016（11）：39-41．