汽车结构的轻量化设计措施分析

汽车结构的轻量化设计措施分析

刘开

徐州 徐工汽车制造有限公司 221000

摘要：随着人们生活水平的不断提升，中国国内的汽车存储量也逐年攀升，汽车工业要发展，在目前必须要满足环保要求，汽车轻量化设计可实现节能减排，但轻量化设计不是单纯减重，而是要保证安全性能的前提下去减重，因而如何进行轻量化设计值得探索，本文中重点对此进行了分析讨论，探析了目前市面上主流的轻量化设计方法措施，仅供参考。

关键词：汽车结构；轻量化；设计措施

引言

目前，汽车行业仍然面临着节能、环保和安全的压力。汽车结构的轻量化已经成为解决节能减排问题的主要的方法之一，尺寸优化、形状优化和拓扑优化等多种结构优化方法已经被广泛的应用于汽车轻量化设计中。将多目标优化理论运用到现代汽车结构设计领域中也已成为现阶段汽车研发设计中的重要手段。当多个优化目标之间存在难以调和的矛盾时，常采用各种优化手段来分析这些优化目标之间的关系、权衡各目标的重要程度，从多个组合备选方案中寻求最佳的解决方案。对于多目标优化类问题，传统的方法是通过将其转变成为单目标优化的问题进行求解。为了进一步提高多目标优化设计的效率，目前国内外学者普遍使用优化算法与近似模型有机结合的设计方法。这类设计方法可以更加全面地反映出问题的实际情况，同时也可以提高收敛精度和设计的效率。

1轻量化设计概述

①轻量化产生背景。轻量化设计是目前国内外汽车设计制造技术中的主要发展方向之一，与环保和安全具有同等地位，随着人们环保意识增强，汽车工业要发展，必须要走可持续发展道路，而可持续发展显然必须要实现节约资源、减少消耗，对于汽车工业而言，要达到相关要求，已经得到公认的路径包括提高发动机效率、新能源和轻量化。汽车的节能环保通常情况下是降低油耗或提高燃油效率，降低或者清洁排放尾气。在提高发动机效率方面，由于传统发动机不管是柴油机还是汽油机，实际上都已经达到了一个相当高的水准，现阶段主要是通过对发动机进行微量调整并利用汽车电子技术来提高发动机的效率，但效果并不是很理想，仅仅只能说达标。而汽车在环保上的效果最佳，但是问题在于由于电池的限制，汽车的发展还需要走很长的一段路，而轻量化技术，在保证汽车安全性的基础上去降低汽车的自重来实现能耗的下降。②轻量化设计要求。相关研究指出汽车自重每降低10%，将降低燃油消耗6-8%，降低排放5-6%。轻量化技术并不是单纯降低汽车自重，它必须要以汽车安全性为前提去减重。目前在轻量化设计中，要求，必须确保汽车整体结构的安全性达到相关安全标准，并且要求汽车结构的使用性能要达到甚至超过传统钢材质汽车的性能。一直以来，汽车设计当中轻量化和安全性都是一个矛盾体，有很多人认为，轻量化结构将降低安全性，而为了保证安全性，就必须要加强汽车结构的抗弯、抗扭、抗侧翻、碰撞吸能等特性，而这些将增加汽车自重。但实际上轻量化并不是单纯降低自重，它必须保证安全性，汽车减重但整体性能不能受到影响，车身强度、刚度、模态等结构特性必须要满足相关要求，所以轻量化设计是一门综合性的学科，在实践中必须要充分考虑材料、结构力学、生产工艺、人体工程学、工业设计等方面的内容。

2汽车结构的轻量化设计措施

2.1结构尺寸优化

在汽车结构轻量化中，结构尺寸优化是在确定结构拓扑的前提下，用少量的尺寸来表示结构的某些变化，然后建立基于这些维参数的数学模型，并采用优化方法求解最优维参数。在尺寸优化中，其设计变量大多数为材料参数（如说弹性模量和密度）和尺寸参数（如横梁横截面的尺寸、转动惯量、弹性支承刚度、板材的厚度、两个部件之间的连接刚度等）。尺寸优化是通过优化一维梁单元的截面尺寸、二维板单元厚度等，寻找目标结构件的最好截面尺寸，满足其相对应的性能要求，性能优化期间，结构的形状和拓扑结构没有发生变化。尺寸优化的一个重要方向是一维梁单元的截面尺寸优化，从之前的结构到现在工业上用的各种型号钢材，尺寸优化已经相对成熟，在给定结构外形几何、材料、单元类型、结构布局的情况下，以截面的尺寸为设计因变量，寻求截面尺寸的最优，以满足性能要求并且实现结构轻量化，达到降低生产成本的目的。

2.2材料轻量化

材料轻量化设计主要使用强度更高的材料，如钢材、合金材料、非金属材料等，将这些材料加工成车身结构，更好地实现车身轻量化设计目标。车辆外部覆盖件均可往非金属材料方向发展。当前所使用的轻量化汽车材料无法满足电动车轻量、安全以及续航能力强等要求，因此需要重点开发出新型轻量化车身材料。由于研发新型车身材料需要强大的技术支持，相对应的实验周期较长，因此在汽车结构轻量化设计过程中，也需要做好材料变性、材料复合以及虚拟实验等工作。其中，材料变性主要就是利用先进的精密化技术保证材料原有的优势，通过物理或化学手段改变不利于车身轻量化改造的性能，确保车身结构材料能达到最佳参数组合。材料负荷主要就是将几种材料依照一定比例进行复核加工，确保材料各项优势能被充分发挥出来，在实现电动车车身结构轻量化设计目标的前提下，增强车身结构强度与高度性能。不仅如此，在汽车车身结构新材料开发期间，相关研究部门也可用先进的计算机虚拟技术，建立材料性能动态模型，从根本上降低车辆试验开发难度。

2.3生产制造工艺优化

生产工艺的改进方面，主要是为了满足轻量化材料制造、轻量化结构设计制造的需求。轻量化材料要制作成汽车需要的部件，传统的冲压工艺是无法满足要求的，采用传统的方法会造成回弹大，如此在针对轻量化材料制造时，必须要采用合理科学的制造工艺，例如差厚板工艺，热冲压成型技术等，例如差厚板工艺，这种工艺技术使汽车零部件在受力、结构上优于传统等厚板材，但材料用量降低而自重降低。同时对于装配，目前采用的工艺主要是激光焊接和结构胶粘接，激光焊接可以焊接很多焊材，甚至可以焊接各种异质焊材，对于运用了多种轻量化材料的汽车的装配具有很重要的作用，结构胶粘接，则是更强大的一种装配工艺，在航空领域都有广泛的应用。

2.4多目标转换为单目标的方法

现阶段一般采用构造评价函数的方法来完成多目标与单目标间的转换，主要研究方法包括有线性加权法、理想点法、平方加权法、折衷规划法、功效系数法以及目标规划法。线性加权法依据各个子目标优化函数在整个多目标优化问题中的重要性设定了相应的子目标优化系数，再将这些优化系数与相应的子目标优化函数的乘积之和作为多目标优化问题的评价函数来进行求解；理想点法采用让各个子目标优化函数在最大程度上逼近各自的理想点的策略，找距离理想解最近的值作为最优解。在理想点法的基础上基于各个子目标的重要程度引入权重系数的方法即为平方加权法。折衷规划法将起始点设置为各子目标的最优值，将与起始点距离最小的矢量作为求解该问题的折衷解。功效函数法按照理想值和不允许值分别设置上、下限，再通过加权平均法进行综合评价。目标规划法采用将目标函数与期望值之间的绝对误差累加和最小值作为最优解。

结语

我国汽车的研发与推广水平依然处于有待提升阶段，虽然现在市场中已经投入了许多汽车，但是这些汽车的自重量依然与实际设计目标存在较大差距，为确保汽车生产行业能在推动地区可持续发展过程中发挥出重要作用，相关工作人员应当积极开展车身轻量化设计工作，通过不断完善汽车运行性能，从根本上延长汽车全生命周期，切实提升汽车产业的经济效益。

参考文献

[1]姚凌云.塑料在汽车轻量化设计中的应用[C].2018.(11):118.

[2]魏安平.专用汽车轻量化设计及发展趋势[J].中国高新区，2018.(21):37-38

[3]汽车轻量化设计的复合材料机遇[J].汽车制造业，2020.(4):125-126.