车身轻量化实现的思路及途径
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车身轻量化对减少尾气排放、提高燃油效率和车辆安全性意义重大。为实现车身轻量化，通常从三个方向进行：新材料的应用、车身结构优化和生产工艺的革新。新材料应用上主要有高强度钢、铝合金、镁合金和工程塑料等；车身结构优化主要有布局优化、尺寸优化、形状优化和拓扑优化四种方法；生产工艺的革新主要是针对新材料、新结构应用后导入的新工艺，如热冲压成形、激光拼焊板、液压成形和合金材料新型压铸方法等。
轻量化材料的应用
1.高强度钢
图1 各种高强度钢的抗拉强度和延展率
高强度钢的分类和定义国内外尚无统一的定义和分类方法，一般按照强度划分和强化机理划分。如图1所示，将屈服强度小于210 MPa的钢称为“软钢”，210～550 MPa之间的称为“高强度”钢，高于550 MPa的称为“超高强度钢”。
高强度钢的价格相对较低，具有较高的结构强度、优越的碰撞吸能性和抗疲劳强度，且冲压成形性、焊接性和可涂装性优良，关键是能够利用现有汽车生产线生产从而节约设备投资，所以在现阶段，高强度钢是车身减重的首选材料。
图2 北京现代YC 车型高强钢应用现况
如图2的例子所示，车身上高强度钢多用于车身侧围板、顶盖、发动机罩和车门板等覆盖件上，其中影响车身整体强度的车身框架部分又多选用超高强度钢，如保险杠、底板梁和顶盖横梁等。
2.铝合金材料
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铝合金材料密度是钢的1/3，吸能性是钢的2倍，在碰撞安全性方面有明显优势，且铝的可回收性和耐腐蚀性较好，是最常见的车身用轻金属材料。虽然铝材的弹性模量较低，但它有很好的挤压性，能够得到复杂界面从而从结构上补偿部件的刚度，因此在满足刚性和强度等多方面力学性能的前提下，能够大大降低材料消耗和制件的质量，进而实现车身轻量化、提高整车燃油效率。目前阶段，铝合金在车身上多应用于发动机罩内外板上，如长城汽车某车型的零部件，通过应用铝合金材料并优化结构设计，实现了部件整体减重50%以上的目标（如表所示）。
表  长城汽车某车型发动机罩内、外板减重情况
由于铝合金具有上述优良特性，自20世纪70年代石油危机以来，欧美日等汽车大国就开始在量产车上应用铝合金，如铝合金机罩、行李箱盖、翼子板、保险杠、车厢地板和散热器框架等，随着铝合金加工工艺和装配工艺日渐成熟，奥迪A8和捷豹路虎XJ系列车型甚至实现了全铝车身的设计和制造（见图3），实现了车身减重40%以上的效果。
3.镁合金材料
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图4 奇瑞L11 车型的镁合金转向盘
镁的密度是1.74 kg/m3，是铝的2/3，且镁合金材料吸振性好，生产模具寿命高、尺寸稳定，作为轻量化材料应该更合适，但镁的化学活性高，加工过程中容易发生燃烧和爆炸，存在安全生产问题，且耐腐蚀性、蠕变强度和再生技术不如铝，所以现阶段相比于铝合金，镁合金的研究和发展很不充分，只应用于个别车型的发动机罩盖、转向盘、座椅支架、车内门板和变速器外壳等方面。图4所示的奇瑞L11车型镁合金转向盘，相比传统钢材质减重0.83 kg。
4.工程塑料和复合材料
现代汽车为节约资源、满足轻量化、防腐蚀、低成本和美观等要求，材料方面正在大量采用非金属材料，目前主要有工程塑料和复合材料。葫芦岛二手车交易市场
汽车上的工程塑料主要有PP、PE、PVC、ABS和PA等，这些工程塑料具有密度小、成形性好、耐腐蚀、防振和隔音隔热等优良特性的同时，又具有金属钢板不具备的外观（颜、光泽）和触感，所以在汽车上应用广泛，例如，前后保险杠、仪表板、前后车灯、后备箱盖、翼子板及众多内外饰件等。
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广州汽车网图5 采用碳纤维材质的全新奥迪A8 行李箱隔舱
复合材料是指两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质结合起来而制成的一种多相固体材料，通常由增强材料和基体材料复合而成，其中增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维
和高分子材料。复合材料具有很多金属材料无法比拟的优点，例如，防锈、隔热、隔音、保护人体、密度小、强度高以及抗疲劳度大等特点。近年来复合材料主要应用于前端托架、仪表板骨架、电池托架、悬架和车架等汽车结构件上，如高强度有机纤维增强复合材料有很高的机械强度，能代替钢架材料从而减轻车身质量；碳纤维增强复合材料能够代替钢板弹簧运用于悬架系统。如图5所示，奥迪A8行李箱隔舱隔板采用碳纤维材质，质量仅2.6 kg，却能够将后部车身刚性强度提高30%。
轻量化结构设计
图6 吉利汽车FE 车型散热器上横梁总成结构优化、精简制件
除直接运用轻量化材料代替普通钢板外，还需要对车身整体结构进行分析和优化，实现汽车零部件的整体化、集成化和精简化。随着结构设计软件的发展，一般利用CAD、CAE技术进行车身布局设计和车体结构优化，对各构件的形状、配置、板厚进行强度以及刚性的计算和分析，在保证性能的前提下，寻求零部件壁厚减薄、数量精简和结构的整体化、合理化设计。图6所示为吉利汽车FE车型散热器上横梁总成通过结构优化设计、精简制件，在保证安全的前提下减重2.2中国校车 kg。
1.布局优化
布局优化即考虑实际工况来实现车身整体或局部结构的最佳布局形式，如采用前置前驱布置可减少很多传动系统制件从而达到减重目的，另外，采用承载式车身可以取消车架从而大大减轻车身重量。
2.尺寸优化
尺寸优化过程中，往往根据质量、强度等优化目标对板厚、梁截面及截面惯性矩等尺寸进行优化，使应力分布均匀化，而且，尺寸优化一般以汽车零部件的形状尺寸为变量，以满
足各种工况下的刚度、振动、强度和吸能性等。汽车设计中线性静力学问题和线性振动问题可以使用传统的数值优化算法对轻量化直接进行设计，以线性弹性尺寸优化为基础的设计方法可以对汽车上使用的零部件进行优化并对汽车进行减重。
3.形状优化
形状优化即通过适当改变制件的外形使结构更加均匀地受力，具体措施是对汽车结构整体或局部进行形状优化，从而使材料能够发挥出更大的潜力。工程师们一般利用有限元法来避免应力高峰，使应力分布尽可能均匀化，具体做法是向承受高负荷的部位储存或增强材料，在承受低负荷的部位减薄或去除材料。
4.拓扑优化
图7 拓扑优化的基本流程
拓扑优化即对指定设计空间的材料分布进行分析，通过拓扑算法自动得到最优化的动力传递路径以达到尽可能多节省材料的目标。拓扑优化就是寻求材料在空间的最佳分布，被广泛承认是一种最具有应用价值的方法，常用的结构拓扑优化方法有均匀化方法和变密度法。在工程分析过程中，为了更清晰地定义设计空间、目标和约束，如图7所示，一般遵循该流程。