对汽车车身轻量化技术的研究.docx

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1、摘要科技不断发展，工业制造的模式产生了很大的变化。为了适应市场需求，提高制造质量和效率，强化企业的竞争力，必须对传统的汽车制造进行创新和改进。车身轻量化技术的应用，对提升新能源汽车性能效果显著，已成为汽车厂工业中创新应用必不可少的组成部分。文章主要分析了车身轻量化技术，及其对汽车性能的提升方法，以供参考。关键词：汽车轻量化；轻量化发展；技术优化目录引言1第一章车身轻量化相关概述21.1 车身轻量化技术概述21.2 车身轻量化的关键技术分析21.2.1 材料方面的轻量化21.2.2 工艺方面的轻量化31.2.3 结构方面的轻量化4第二章近5年中国汽车轻量化进展探究52.1 汽车轻量化技术日渐完善

2、52.1.1 实现汽车轻量化的3种途径52.1.2 轻量化优化设计理念和设计方法发生巨大改变62.1.3 车轻量化技术成为世界汽车科技创新研究热点62.2 汽车结构轻量化研究及应用全面展开72.3 汽车轻量化进程略有曲折，但总体向前72.4 汽车轻量化制造工艺和装配方法使轻量化落到实处8第三章浅谈汽车车身轻量化问题103.1 高强钢板及其先进制造技术103.1.1 激光拼焊103.1.2 液压成型113.1.3 热冲压成形113.2 轻质材料12321铝及铝合金123.2.1 镁及镁合金123.2.2 工程塑料及复合材料133.3 车身结构优化设计13结语15参考文献16引言现阶段，受到能源总

3、量的限制，人们对汽车车身的轻量化提出了更多要求，汽车制造业也尝试使用多种手段进行车身自重的降低。对于白车身轻量化开发来说，其包含着多个专业领域，需要对工艺、成本、装配、性能、造型等内容进行综合性考量，换言之，必须要从整体的角度出发，对汽车身轻量化展开系统性考量与实践。第一章车身轻量化相关概述1.1 车身轻量化技术概述车身轻量化技术的应用是以车身零件的强度和刚度要求为约束，借助CAE优化设计方法对零件的结构进行优化设计，通过车身零部件的薄壁化、中空化、小型化或集成化，以减小车身骨架和车身覆盖件的质量或数量，从而达到车身减重目的，使用轻量化材料通过大量使用轻质、高强材料实现车身大幅减重已经成为车身

4、轻量化最为主要的手段。这些材料主要可以分为两类,一类是高强钢材料，包括普通高强钢、先进高强钢以及超高强钢。另一类是低密度材料，包括铝合金、镁合金、塑料、复合材料等。使用轻量化结构材料采用特种加工工艺制成的具有轻量化结构特征的车身用毛坯材料,包括激光拼焊板和连续变截面轧制板。其中，激光拼焊板即采用激光焊接技术把不同厚度、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板焊接在一起，形成冲压用坯料。车身轻量化技术应用框架如图1所示1.2 图1车身轻量化技术应用框架1.3 车身轻量化的关键技术分析1.3.1 材料方面的轻量化在选取材料的过程中，应当从材料的要求特性出发完成选取，可以从多种可用材料中选取出最优的材料

5、。当前，能够在白车身轻量化方面发挥出较好作用的材料包括：非金属材料、铝合金以及高强度钢板，以此主要对这三种材料进行对比，最终选取出用于白车身轻量化设计的最优材料。对于非金属材料、铝合金以及高强度钢板而言，三者具备不同的优缺势。实践中，若是根据以往的工作经验进行材料选取，则极容易导致白车身轻量化的制作成本增高。为了避免这一问题的发生，可以使用以下方式完成上述三种材料的对比，并选取出最适用于白车身轻量化的材料：对于非金属材料来说，其主要优势在于构建整体结构的简易程度更高。在某平台的实践中，选用全塑前端框架进行构件生产，得到的减重效果为:优化后的构件自重减少原构件自重的38%o选用非金属材料（热塑性

6、碳纤维复合材料）开发制作乘用车顶盖横梁零件，得到的减重效果为：优化后的横梁零件自重减少原零件自重的56%o对于铝合金材料来说，其主要优势在于能够吸收更多的弹性能量，还具备较好的吸收变形能量的性能。基于此，在进行汽车防撞横梁零件的开发制造中，通过引入铝合金材料，能够在保证零件防撞性能的同时，还可以消除钢与铝连接不顺畅的问题。在某平台的实践中，选用铝合金材料进行防撞横梁零件的生产，得到的减重效果为：优化后的防撞横梁零件自重减少原零件自重的50%。对于高强度钢板来说，其主要优势在于具备极高的通用性，结合参数化优化，能够确定出对比强度灵敏的结构件。依托高强度钢板，不仅能够维护零件性能的良好性，还可以达

7、到减轻零件自重的效果。1.3.2 工艺方面的轻量化工艺方面的轻量化主要是在制造、加工、装配过程中通过优化操作而达到白车身自重降低的效果。目前，能够达到白车身轻量化目标的工艺优化可以从以下几方面入手：焊接工艺、成型工艺、激光拼焊工艺。从焊接工艺方面来看，通过在实践中大规模应用机器人系统，能够达到提升焊接质量以及精准程度的效果。实践结果表明，基于机器人系统的焊接可以促使板件焊接重合面的宽度降低1-2毫米，推动白车身自重降低0.4%。从成型工艺（热成型与辑压成型）方面来看,通过使用相应技术取代传统冲压工艺，能够有效解决钢板回弹严重、容易开裂、成型困难等问题，最终获取具有更高强度的冲压件。实践结果表明

8、，基于热成型与辐压成型的成型工艺可以促使白车身零件的自重降低30%。从激光拼焊工艺方面来看，其主要实现了零件的整合，保证在构建白车身整体结构时降低各个零件的搭接重量。实践结果表明，通过在门内板等零件中应用激光拼焊工艺，促使相应零件的自重降低37%o1.3.3 结构方面的轻量化除了从材料与工艺方面入手进行白车身轻量化设计与制造之外，结构轻量化也是减轻白车身自重的重要手段。相比于材料轻量化、工艺轻量化来说，结构方面的轻量化更容易得到市场的认可，且在白车身精益设计方面发挥出重要作用，促使汽车产品的市场竞争力大幅提升。目前，能够达到白车身轻量化目标的结构优化可以从以下几方面入手展开，即：整体结构轻量化

9、、形状优化。在结构轻量化中，主要依托对功能的集中与整合推动多个零部件的整合，以此达到减少零部件设置量、连接结构设置量的效果，从而实现白车身自重的降低。该方法的优势在于可以不仅可以降低零部件的重量，还能够推动白车身总体生产制造成本的下降。在某平台的实践中，主要对结构设计与变轴距共模具技术进行更新，在实现平台化车型尺寸带宽变化的基础上完成零部件的整合设置，在达到轻量化目标的基础上，减少了70套模具的开发使用。实践结果表明，在塑料前端模块功能、中通道总成零件等整合支持下，白车身零件的自重降低10-40%。一般来说，汽车车身的形状设计普遍参考结构车型完成，因此在形状优化方面，依旧存在着极高的开发前景。

10、实践中，要提前进行形状因数与应力类型之间关系的分析，并建立起环状结构、接头优化等面向形状的受力分析理论。在此基础上，需要引入SeCtiOnAD软件分析断面特性，为形状因数的总结提供支持，最终达到形状优化设计的效果，在保证功能性与使用安全性的基础上，促使白车身的自重进一步降低。第二章近5年中国汽车轻量化进展探究21世纪汽车制造业呈现电动化、网联化、智能化和共享化的发展趋势，在此大背景下，汽车轻量化是实现汽车四化的重要战略举措之一，包括支持汽车轻量化的各系统模块化、集成化发展的战略举措的落地。汽车轻量化就是在保证汽车强度和安全性能前提下，降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，实现节能减排的目的

11、。根据美国铝业协会的数据显示，汽车减重10%就可以减少3.3%的油耗，柴油车减重10%则可以减少3.9%的油耗。汽车轻量化有利于主动安全,可有效增加操作稳定性，缩短制动距离；减重10%,制动距离可减少5%,转向力减少6%。汽车制造业是国民经济的支柱产业，我国是汽车产销第一大国，随着能源短缺和环境污染问题的凸显，汽车轻量化更显重要。近5年汽车轻量化主要体现在满足汽车产品性能和必要的成本控制下，通过计算机硬件和软件，借助大数据、云计算做好轻量化设计、轻量化材料和轻量化工艺，实现汽车产品高性能下的轻量化和节能减排。2.1 汽车轻量化技术日渐完善2.1.1 实现汽车轻量化的3种途径汽车轻量化的实现途径

12、包括材料应用轻量化、结构设计轻量化和制造工艺轻量化（图1）,而每个领域的轻量化发展都已经演化成多项技术的支撑，近年来这种演化速度在加快。制造工艺轻量化高强度制复合材料图料金属合金车身结构优化设计拓扑优化设计液压成型优成型内高压成型激光拼焊版图1汽车轻量化实现途径2.1.2 轻量化优化设计理念和设计方法发生巨大改变不谈性能的轻量化难有说服力，传统的设计和基于上代车型的结构优化设计理念已难有突破，在此情况下，应用CAD/CAM/CAE一体化技术，用SFECON-CEPT参数化设计软件建立相应的3D模型与有限元模型，并创新设计、计算和测试方法，依托大数据、云计算及互联网创建平台，进行相应的分析模拟代

13、替实车试验，注重系统化、模块化、集成化、一体化设计，综合考虑汽车的结构、尺寸优化及静态、动态特性，考虑多种材料混合和拼接，根据力学结构性能要求考虑渐变厚度设计、中空设计，提升整车刚度性能，减轻质量，压缩空间，优化开发流程，缩短开发周期。可见汽车轻量化要做好结构模块化集成化、连接方式轻量化、有限元辅助设计轻量化、系统轻量化、材料轻量化5个方面的工作，目前轻量化优化设计已是多学科、多目标、多工况的优化设计，图2为采用多材料车身地板设计的方案。图2多材料车身地板设计方案2.1.3 汽车轻量化技术成为世界汽车科技创新研究热点汽车轻量化技术主要包括轻量化结构优化技术、制造工艺技术和材料技术，以轻量化结构

14、优化技术创新最为活跃，轻量化材料研发和应用及适应新材料的制造加工新工艺及装配工艺也取得非凡的成绩，材料的环保回收再利用等技术也同时展开。据统计，2016年轻量化技术相关专利国内公开量累计2636件，比2015年的1950件增加了686件，轻量化结构优化相关专利公开量为1669件,占当年3类轻量化技术专利的63%,轻量化材料技术和制造工艺技术相关专利分别为218件和290件。汽车科研人员数量、科研项目数量和科研总经费、科技成果奖屡创新高，2016年比亚迪和合肥工业大学汽车专利强度国内领先，2016以来我国发动机轻量化不断创新，长城旗下自主研发的高性能轻质的4N20系列发动机整机质量比上一代机型降

15、低10%o动力电池是新能源车的核心，主要在电池材料上的创新，包括正负极材料、隔膜材料和电解液等进展较大，现在纯电动乘用车整车能耗、轻量化、智能化水平处于世界上游，燃料电池质量储氢率和体积储氢率等研究都有长足发展。2.2 汽车结构轻量化研究及应用全面展开汽车结构轻量化，就是根据社会、经济、环境等要求，通过各种技术手段，在保证汽车性能的前提下，减轻整个结构及各个零部件总成的质量，以实现汽车质量的降低。结构轻量化包括车身轻量化、底盘轻量化、动力系统轻量化、内外饰、空调等轻量化，以及底盘动力系统一体化、电动汽车全新架构一体化、新能源汽车专有系统开发等举措。汽车减重以车身减重最有成效，使用承载式结构有利

16、于减重，车身减重降低了底盘承载，底盘又可以进一步减重，动力系统就可以小型化，进而可以减小油箱容积和电池数量。汽车发动机质量仅次于车身，因此组件模块化和关键零件结构优化至关重要，如直喷增压使得发动机小型化，曲轴减少扇板数量及减小扇板宽度，金属传动链改为塑料齿形带等。对于传统乘用车来说，白车身质量占整车重约1/3,因此车身轻量化至关重要，爱驰汽车U5车身轻量化系数为2.29,采用“上钢下铝”结构设计，特别是销量最大的中等价位乘用车的承重式车身研究成果最多。电动汽车的电池和车身占整车重的80%,因此电池和车身减重更有成效，单电池厚度降低，单电池数量减少，体积小型化后，燃料电池动力系统实现了水平安装，呈现高度的集成化发展趋势。另外，在零部件轻量化方面，车身结构优化设