汽車車身的輕量化技術(shù)問題，是目前世界各大汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展所要探討的重點(diǎn)問題之一，在進(jìn)行研制的過程中，往往需要以質(zhì)量和降低成本為主要約束條件。而使用多種材質(zhì)汽車就能夠充分發(fā)揮不同材質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，切實(shí)做到物盡其用，對各種零部件選用恰當(dāng)?shù)募庸げ馁|(zhì)，確定優(yōu)化結(jié)構(gòu)。多種材質(zhì)汽車設(shè)計(jì)對于日后汽車行業(yè)的設(shè)計(jì)將有著明顯的指導(dǎo)作用，它預(yù)示著今后汽車的設(shè)計(jì)總趨勢。

1  汽車輕量化設(shè)計(jì)的概念及意義

汽車輕量化指的是在保證汽車強(qiáng)度、安全性的基礎(chǔ)上，盡可能降低汽車的總質(zhì)量，從而提升汽車燃油效率、降低污染物排放量。車輛輕質(zhì)化技術(shù)的方式可以分為車體材質(zhì)輕質(zhì)化、車體構(gòu)造輕質(zhì)化這兩個(gè)方式，通常情況下，全鋼構(gòu)造的汽車經(jīng)過輕質(zhì)化技術(shù)以后可以降低7%的效率，采用1D鋁合金材質(zhì)可以給車輛提供百分之三十到百分之五十的輕質(zhì)化效率，使用活性炭纖維材質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)百分之五十以上的輕質(zhì)化效果。輕量化材料的應(yīng)用能夠有效降低汽車的重量，但是輕量化的材料通常比較貴，尤其是碳纖維材料，其價(jià)格達(dá)到了30萬元/噸，與普通低碳鋼材料相比高出許多。由此可以看出，材料價(jià)格是制約汽車輕量化設(shè)計(jì)的重要因素，汽車廠商應(yīng)該適當(dāng)引入輕量化材料，不斷優(yōu)化汽車車身結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新使用新型汽車生產(chǎn)工藝，從而達(dá)到更好的輕量化設(shè)計(jì)效果。 

汽車輕量化設(shè)計(jì)是全世界范圍內(nèi)汽車設(shè)計(jì)生產(chǎn)的重要方向，與環(huán)保相比有著同等重要的地位。如今全球范圍內(nèi)的能源短缺問題越來越嚴(yán)峻，人類賴以生存的自然環(huán)境逐漸惡化，因此人們必須增強(qiáng)環(huán)保意識，推動汽車產(chǎn)業(yè)的綠色環(huán)保、推動可持續(xù)發(fā)展。據(jù)有關(guān)資料顯示，汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的效果越好，燃油效率越高。如果機(jī)動車整車重量減少10%，燃油效率可提高6.8%；如果車輛的空氣阻力降低約10%，燃料效率可提高約3%；如果車軸和變速器等主要部件的重量增加10%，燃油效率將增加約7%；若汽車車身質(zhì)量每降低約100公斤，則二氧化碳的總排放量將降低約5g/Km。由此可見，多材料汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)是緩解能源短缺危機(jī)、抑制環(huán)境污染問題的重要舉措。

2  汽車車身輕量化的技術(shù)現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢

考慮到作為主要測試對象的車身設(shè)計(jì)，通過檢查如何將正確的材料應(yīng)用于正確的部件，并綜合考慮車身的結(jié)構(gòu)性能、質(zhì)量和成本，來檢查輕質(zhì)多材料車身的制造方法。首先，闡述了輕型汽車車身的研究背景和重要性，全面分析了輕型汽車的研究方法和發(fā)展現(xiàn)狀，探討了輕型車身的重要性。并指出了深入研究材料光體設(shè)計(jì)方法的重要性，以及深入研究材料光體材料的重要性。

2.1 輕量化車體構(gòu)造研究及改善方法

從二十一世紀(jì)開始，隨著新興產(chǎn)業(yè)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展給很多領(lǐng)域都產(chǎn)生了影響，技術(shù)研究與工程改造技術(shù)也越來越完善，它們在汽車車身設(shè)計(jì)中運(yùn)用廣泛，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)簡化了汽車構(gòu)造的開發(fā)周期變?yōu)榭赡埽M(jìn)而減少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期。這種基于有限元法的車身結(jié)構(gòu)分析方法已成為現(xiàn)代車身優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的主要分析方法。在早期階段，車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析主要基于數(shù)學(xué)理論和有限元方法的結(jié)合，并使用數(shù)學(xué)計(jì)算方法建立車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。然而，隨著現(xiàn)代研究能力和結(jié)構(gòu)手段的不斷發(fā)展，以及現(xiàn)代理論的不斷完善，車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的范圍也逐漸從模態(tài)設(shè)計(jì)層面轉(zhuǎn)向整體結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化項(xiàng)目階段。在本項(xiàng)目中，有限元分析與計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化技術(shù)的結(jié)合是優(yōu)化車身設(shè)計(jì)的有力手段。在車身結(jié)構(gòu)分析中，以車輛的每個(gè)部件為對象進(jìn)行材料選擇，然后進(jìn)行深入研究。車身分為不同的部分，如柱、板和加強(qiáng)梁，以及車身罩。所謂的車體承載部件主要包括車體結(jié)構(gòu)的板片以及支承在車體結(jié)構(gòu)零部件的總和。由橫梁和立柱共同形成了整個(gè)車輛的主車身骨架，從而構(gòu)成了車輛的整個(gè)框架結(jié)構(gòu)，使整座車輛形成了一個(gè)完整的封閉車身。設(shè)計(jì)的車輛結(jié)構(gòu)中，以全載乘式車輛為主要的研究對象。而所謂全載乘式，是指設(shè)計(jì)要求在車輛使用的環(huán)境中，在傾斜、扭曲和碰撞的環(huán)境中即便有輕微負(fù)荷改變之后，車輛結(jié)構(gòu)仍能隨著可預(yù)見的負(fù)荷改變而減速，為乘員提供了一種安全的生存空間和保證了乘室結(jié)構(gòu)的整體性。承載式車身的汽車，在水平路面行駛中很穩(wěn)定且固有頻率小、噪音小、重量輕等特點(diǎn)。當(dāng)然，履帶汽車底盤的剛度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有多架梁構(gòu)造的非承載型汽車，當(dāng)整車的四個(gè)輪子間受力不平衡時(shí)，汽車也容易出現(xiàn)變形。并不是車身所有的材質(zhì)硬度都越高越好，具體程度還要看部件。如駕乘區(qū)的框架，要保證駕駛艙的空間盡可能地不扭曲，為了確保駕乘人員安全，還需要使用高強(qiáng)度的建筑材料。而車前部和車尾的結(jié)構(gòu)（如引擎蓋、翼子板等），可以吸收撞擊力，也可以采用質(zhì)量相對較小的鋼材。

2.2 輕量化材料以及在汽車生產(chǎn)上的運(yùn)用

目前，由于中國國內(nèi)的企業(yè)進(jìn)行了汽車復(fù)合材料的研發(fā)，導(dǎo)致了鋁鎂等汽車復(fù)合材料的應(yīng)用不斷增多，鋁合金和鎂合金的優(yōu)越性能已經(jīng)成為汽車上的第一首選。同時(shí)由于政府和人們對于車輛能源和環(huán)境等方面的需求日漸增加，也產(chǎn)生了新型的汽車金屬材料的研發(fā)，主要是高強(qiáng)度鋼材質(zhì)在汽車上的應(yīng)用。從最先的高強(qiáng)度鋼開發(fā)出來，再到后期超高強(qiáng)度鋼材質(zhì)在車體內(nèi)的應(yīng)用。而高強(qiáng)度鋼質(zhì)，不管是減輕汽車自重或者改善車輛碰撞穩(wěn)定性，都是首選的材料，也可以達(dá)到不錯(cuò)的輕量化效果。而在汽車制作上的運(yùn)用，主要是車門，甚至車門外板或者是輪轂等，也使用了高強(qiáng)度鋼質(zhì)。而ld鋁合金板材則具有優(yōu)異的機(jī)械性能和耐腐蝕強(qiáng)度能，以及導(dǎo)熱性能和回收能力，它在汽車輕量化中的使用重點(diǎn)在車體內(nèi)板和外板方面。

2.3 基于多材料的輕量化車身

根據(jù)汽車的面料構(gòu)造及其基本特點(diǎn)的研究，在基于輕量化的汽車板殼結(jié)構(gòu)構(gòu)件選擇和使用領(lǐng)域，將以車輛的設(shè)計(jì)和選擇為例，針對大型板殼類構(gòu)件的面料選取技術(shù)進(jìn)行探討。此外在汽車材料與結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，汽車材料與結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)中的數(shù)學(xué)模型，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成了約束方程，從而增加了有限元的研究時(shí)間，并通過更多方向的遺傳算法解決了問題。輕量化材料的優(yōu)越性能使得其成了優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)以及減輕車身質(zhì)量的首要選擇材料，但是由于其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的車身材料，如低碳鋼材料，從而導(dǎo)致自由輕量化材料車身的成本遠(yuǎn)比現(xiàn)有的鋼的成本高很多，而高額的成本也是目前阻礙鋁合金、鎂合金以及復(fù)合材料等輕量化車身廣泛應(yīng)用的重要原因。因此，將鋼材與輕量化鋼材的組合用于設(shè)計(jì)車身的多材質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，是今后汽車開發(fā)的重點(diǎn)目標(biāo)。因?yàn)檐圀w結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致組成車體零部件的種類也很多，而人們對車體不同部位的功能要求也不相同，導(dǎo)致多部件輕量化汽車的發(fā)展變成可能。把適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)運(yùn)用到適當(dāng)?shù)牡胤?，也正是多材料的車身造型的核心理念。在研究的過程中，更多地運(yùn)用了數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)的圖像處理相結(jié)合的方式，研究了汽車結(jié)構(gòu)特性的優(yōu)化問題并且把汽車結(jié)構(gòu)劃分為兩個(gè)方面，對這兩個(gè)專業(yè)課程都進(jìn)行了結(jié)構(gòu)方法和適用的最優(yōu)研究，此外，還以一般汽車的車門結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)研究目標(biāo)，考慮了一般汽車車身的結(jié)構(gòu)問題，并找到適宜的結(jié)構(gòu)。多材料的車身設(shè)計(jì)研究結(jié)果表明，相對于單一材料結(jié)構(gòu)車身，將合適的材料運(yùn)用在合適的部位，就是實(shí)現(xiàn)較好的汽車車身輕量化效果與單一的材料車身相比較，對材料結(jié)構(gòu)車身能夠?qū)⒚恳环N材料分配在其合適的部位，充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，在滿足各零件部位性能的前提下，以最小的代價(jià)獲取更大的輕量化效果。結(jié)合多方面的車身情況，進(jìn)行多材料的汽車車身的輕質(zhì)化設(shè)計(jì)研究，可以利用多方面的理論和數(shù)學(xué)模型的研究框架，根據(jù)整車的設(shè)計(jì)情況研究，制定設(shè)計(jì)對策最后通過整車輕質(zhì)化設(shè)計(jì)前后比較，進(jìn)行整車輕質(zhì)化設(shè)計(jì)成果的研究。

3 汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的方法

截至目前，汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的方法主要有三種，即材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化、生產(chǎn)工藝輕量化，具體內(nèi)容如下所示：

3.1 材料輕量化

材料輕量化是汽車車身輕量化最為主要的方式，目前使用的輕量化材料有高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維材料。其中高強(qiáng)度鋼具有技術(shù)成熟、材料來源廣、造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)，能夠直接利用現(xiàn)有的沖壓、焊接、涂裝和總生產(chǎn)線，能夠節(jié)省10%的汽車重量；鋁合金具有鍛造技術(shù)成熟、機(jī)械性能好的優(yōu)點(diǎn)，能夠節(jié)省30%的汽車重量；碳纖維材料具有強(qiáng)度高、減重效果好的優(yōu)點(diǎn)，能夠達(dá)到50%的汽車重量，但是碳纖維材料也有一定的缺點(diǎn)，即材料價(jià)格昂貴，每噸價(jià)格約為20萬~30萬元，目前只應(yīng)用在比較高端的汽車上，例如布加迪威龍、法拉利、奔馳、寶馬等豪華品牌車型。

因?yàn)檐囕v身體各個(gè)部分對鋼材質(zhì)量、剛性的需求不同，我們應(yīng)該按照具體要求來合理配置輕量化材質(zhì)，在確保其車身重量不減的前提下，降低車輛的總體質(zhì)量。例如汽車車身A柱、B柱對承載能力、強(qiáng)度硬度提出了很高的要求，因此可以在這些地方配備高強(qiáng)度鋼材料；汽車的防撞梁需要承受較大的撞擊力，而傳統(tǒng)的低碳鋼不僅質(zhì)量大，而且強(qiáng)度較低，與汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)理念背道而馳，因此很多車型都選擇鋁合金材料作為防撞梁。如今很多汽車廠商都在進(jìn)行汽車車身輕量化設(shè)計(jì)工作，鋁合金材料憑借低廉的成本、優(yōu)異的性能成為汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的重要材料。

3.2 結(jié)構(gòu)輕量化

汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)是利用綜合優(yōu)化的方法，來降低汽車車身的重量，如今很多汽車廠商綜合使用數(shù)據(jù)模型、有限元分析等方法來優(yōu)化汽車車身結(jié)構(gòu)，盡可能減少汽車車身上的材料，以此達(dá)到汽車輕量化設(shè)計(jì)的目的。例如日本豐田、本田等知名汽車廠商采用超薄汽車鈑金、簡化車門結(jié)構(gòu)、使用泡沫防撞材料、降低的車底盤厚度等方法來降低汽車重量，在保證汽車安全性的前提下，將汽車燃油效率降到極致。在汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)過程中，汽車廠商一般會使用CAD建模工具，對汽車車身的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在仿真軟件上進(jìn)行碰撞測試，從整車角度出發(fā)去分析汽車車身結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步簡化汽車零部件結(jié)構(gòu)，剔除不必要的配置，保證汽車的各項(xiàng)性能符合需求。再比如在奧迪的ASF車體構(gòu)造中，首先采用了ld鋁合金的擠出成型材料，然后再加工出不同造型的組件，最后再通過龍骨加蒙皮的方式結(jié)合在一起，構(gòu)成了一體式的鋁質(zhì)蒙皮框架，不但可以勾勒出完美的汽車曲線，同時(shí)也可以降低大約40%的汽車自重。

在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)過程中，汽車廠商通常會使用三維模型、CAE技術(shù)對汽車結(jié)構(gòu)、配件形狀、板材厚度進(jìn)行計(jì)算分析，試圖通過降低零部件的厚度、減少汽車材料的數(shù)量來達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。比如吉利的中FE車型散熱器上的橫梁總成原本是單一的，但是整合了第二道開啟結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)擁有單獨(dú)的散熱片和格柵支撐，在采用了輕量化技術(shù)以后，把格柵支撐和散熱片的橫梁總成組合到一起，從而徹底剔除了格柵支撐，不但可以保證對車輛的安全不會產(chǎn)生影響，而且降低了2.2千克的總體自重。

3.3 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

在汽車車身輕量化設(shè)計(jì)過程中，不僅使用了新材 料，也創(chuàng)新設(shè)計(jì)了新結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝顯然已經(jīng) 滿足不了汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的需求，必須使用新的 生產(chǎn)工藝。在實(shí)際操作過程中，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝會導(dǎo) 致汽車結(jié)構(gòu)回彈力大，影響汽車的外觀和性能，必須 使用差厚板工藝、熱沖壓成型工藝等等，其中差厚板 工藝能夠優(yōu)化汽車車身的受力結(jié)構(gòu)，減少汽車材料的 使用量，使用更少的材料達(dá)到更好的效果。在汽車車 身裝配過程中，當(dāng)下使用最為廣泛的當(dāng)屬激光焊接， 激光焊接能夠有效避免人為焊接的缺點(diǎn)，在減少焊接 數(shù)量的同時(shí)，還能提高焊接強(qiáng)度，此外激光焊接還能 焊接多種材料，簡化焊接結(jié)構(gòu)和焊接流程，對于汽車 車身輕量化設(shè)計(jì)來說有著不可忽視的積極影響。 

4 總結(jié)

汽車輕量化設(shè)計(jì)是推動汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。因此各大汽車廠商必須意識到汽車輕量化設(shè)計(jì)的重要性，積極響應(yīng)國家的綠色環(huán)保號召，加大輕量化材料的使用比例，不斷優(yōu)化汽車車身結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)新的汽車生產(chǎn)工藝，在保證汽車安全性的基礎(chǔ)上，盡可能降低汽車的重量，從而提升汽車的燃油效率，減少污染物的排放量，為環(huán)境保護(hù)作出更大的貢獻(xiàn)