车身轻量化设计方法及应用

从轻量化系数计算公式可以看出，m减小、kTG或A增大，均可使轻量化系数L减小，即轻量化水平得到提升。受汽车发动机、变速箱等机械部件的限制，在保证车身性能不受影响的前提下，车身轻量化的具体实现方法主要有材料轻量化、结构优化及先进的制造工艺等^[4]。

1.1材料轻量化，减少白车身重量

选择合适的材料对车身重量有重要影响，材料轻量化，直接影响着车身轻量化，在确保车身性能不受影响的前提下，优先选择成本低、可持续性好及易加工成型的车身材料。

1.1.1高强度钢

高强度钢可分为超高强度钢（UltraHighStrengthSteel,UHSS）和先进高强度钢（AdvancedHighStrengthSteel,AHSS），其中UHSS钢主要应用在车门、侧围、A/B/C柱、车门加强板等车身结构上，AHSS主要包括双相钢、马氏体钢、复相钢等^[5-6]。钢材用料占比相当于车体总量的50%左右，是车体材料中最重要且用量最多的材料。根据不同车体结构对强度要求的不同，高强度钢的使用，不仅能降低材料的厚度，也能提高结构件的承载能力和防撞性能，尤其是良好的可焊接性，使其在保证车身安全上具有不可替代的优势。在很长一段时期内，高强度钢将成为车身轻量化的首选材料。

1.1.2铝镁合金

铝元素储量大，吸能效果和成型性好，且铝本身密度较低，轻量化效果显着。相较于高强度钢，铝在热导率和耐腐蚀性能上优势明显，加之良好的加工性能，使其成为应用最广泛的轻质材料之一，目前铝合金材料受到各大汽车生产企业的青睐，在车身上普遍运用，甚至出现了全铝车身如奥迪R8和第四代揽胜等，主要用在汽车的前围板、中通道、轮毂等位置。

镁合金也是优点比较突出的一类合金材料，其质量仅为铁制品的四分之一、铝制品的三分之二，但强度却和金属钛不相上下^[2]。基于良好的减震性、导电导热性和压铸性，铸造镁合金被广泛用于刹车支架、支架总成、凸轮盖等部位。镁很活泼，易被氧化腐蚀，在性能上还有待提高，若在车身结构中大范围使用镁，还需要进一步开发研究。

1.1.3塑料和复合材料

聚乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物树脂等塑料均可用于车身轻量化，整车塑料用量已经和铝合金基本持平，是钢铁用量的1/6，并在实际应用中有增加趋势，已从最初的8%增长至如今的20%^[7]，从内饰到外饰，从发动机盖到保险杠，都能看到塑料的身影。

随着材料科学的不断进步，强度高、密度小、耐腐蚀性能优良的复合材料潜力凸显，如纤维增强复合材料，其力学性能良好，而密度仅为普通钢的1/5，用碳纤维材料制成的发动机罩质量可减重超过6kg^[7]。这都从侧面反映了复合材料广阔的应用前景，为轻量化材料的发展指明了方向。

1.2车身结构优化设计

结构优化设计是车身轻量化的关键，车身轻量化发展之初，更多依赖于工程技术人员反复试错，往往研发时间长而效果甚微。随着轻量化技术的不断提升，结构优化设计也逐渐向纵深发展，通过有限元等数值方法加上计算机辅助技术和迭代计算，找到最优结构方案，不但提高了设计效率和质量，而且节约了人力和财力成本。结构优化方法众多，本文简要介绍以下几种优化方法。

1.2.1尺寸、形状和拓扑优化

尺寸优化是在保证白车身整体性能的基础上，通过合理设计零件厚度来实现车身轻量化^[8]。尺寸优化表达式为

式中，M(x)为目标函数；Gk(x)为约束函数；xi为优化设计变量；为优化设计变量上限值；为优化设计变量下限值。

通过尺寸优化设计，找到最优结构形式，去除多余零部件，合理发挥材料性能，进而实现轻量化。形状优化要求某些特定的物理量符合边界需求，在达到结构性能要求的同时，改变边界形状，车身框架主断面的形状设计通常会用到这一方法。拓扑优化是对车身结构的整体布局进行优化，在车身设计初期应用广泛，是实现自动化智能设计的有效途径。在设计后期，车身结构布局已基本稳定，不宜进行较大更改，料厚灵敏度分析则成为重要的优化手段。罗慧娟等^[9]利用结构优化求解器Optistruct对顶盖结构进行了优化设计，避免了设计反复。当响应函数为扭转刚度、设计变量为板料厚度时，灵敏度即反映了板料厚度的变化对扭转刚度的影响程度。通过对灵敏度结果的分析，通常会采用两种方案：一是增加灵敏度高的零件厚度，提高对应部位的扭转刚度；二是减少灵敏度低的零件厚度，在扭转刚度降低较少的情况下减轻车身重量。谌胜等^[10]通过对后纵梁的变料厚优化，找到了后纵梁各区域的灵敏度分布，并根据灵敏度分析结果发现，轧制差厚板和激光拼焊板两种变料厚方案，均能提高扭转刚度，同时达到质量减轻或不变的效果。冯国胜等^[11]通过对某混合动力低速汽车白车身板件灵敏度分析，得出其两侧车门板、前悬架支撑板、前围板对车身弯曲扭转刚度影响较大，进而利用多目标优化，使得白车身质量降低2.37%，弯曲刚度增加3.4%，并给出了优化后车身各板件的厚度修改值。

1.2.2多学科、多材料、多目标优化设计

汽车车身结构复杂，零件繁多，可能涉及多参数、多学科、多目标、多材料优化问题，设计过程中很可能会发生优化冲突，通过对各方要求的协同优化，最终使车身性能达到所需的最佳效果，是结构优化的最终目的。

以多目标优化概念为例，其优化数学模型^[2]为

式中，n为向量维数；F(X)为目标函数；g_i(X)和h_j(X)为约束条件。最优解X^*：在X^*所在的区间D中恒有f(X^*)≤f(X)，则X^*为优化问题的最优解。劣解X^*：在区间D中，存在X使f(X)≤f(X^*)，则X为优化问题的劣解。非劣解X*：在区间D中不存在X使f(X)全部小于f(X^*)。

多目标优化一般包括三种解法：约束法、分层序列法和评价函数法。约束法侧重于确保一个目标解，同时适当地优化其它目标，在实际设计中十分常用；分层序列法会按照一定规律对N个目标进行排序，设计者的习惯方式会应用到分层序列中，这种方法排序复杂、求解工作量较大；评价函数法常用的有加权系数法和理想点法，需要结合多目标效用理论将最优解转换成实函数解。GU等[12]在考虑可靠性和稳健性的基础上，对车身进行了多目标多学科优化。

1.2.3基于代理模型的车身结构优化

目前，车企广泛采用有限元法进行车身结构设计。解题步骤包括以下五步：结构离散化、确定单元基函数、单元分析、建立整个离散结构的平衡方程和解方程后处理。优化过程需要多次迭代，计算成本很高。为此，工程技术人员提出采用近似方法构建代理模型，对离散数据进行拟合或插值，将复杂的分析计算简单化，如克里金（Kriging）模型、二阶多项式（QF）模型、径向基函数（RBF）模型等。杨荣昆等^[13]在Kriging模型和QF模型基础上提出了多重元模型搜索方法（MSM），使用简单方便，经过14次搜索得到最优值，系统质量减少8.0kg，在实际工程设计中前景广阔。

1.3成型工艺和连接技术优化

轻量化材料的推陈出新对制造工艺也提出了新的要求，应运而生的成型技术主要有如下三种。

1.3.1热成型工艺

高强度钢常采用热成型工艺进行加工，其主要原因是热成型工艺能使板料奥氏体组织均匀化后再进行冲压成型，板材内部得到均匀马氏体组织，提高了板材强度。热成型钢板主要应用于汽车的车顶结构、保险杠、B柱等部位，可以在提升碰撞表现的基础上，降低车身整体质量，进而节能减排、降低成本。

1.3.2液压成型技术

液压成型起源于德国，20世纪90年代前后应用于汽车领域，利用中空结构替代实体结构，具有材料利用率高、一次成型、成型部件性能优良等优点。液压成型技术主要应用于汽车的进气和排气歧管、底盘、防撞梁、散热器支架等部件^[2]。

1.3.3激光拼焊技术

激光拼焊技术，即通过激光能源将状态不同的若干母材拼接成完整板材后整体冲压成型的技术，属于车身钣金焊接加工技术之一。自20世纪90年代末引入中国，激光拼焊技术经过了几代人的研究与应用，越来越多的车型开始应用到激光拼焊技术。相较于传统成型方式，利用激光拼焊技术成型的板料一方面能最大限度地保留材料本身的特性，提高零件整体性能，另一方面激光拼焊的板材无搭接接头，可减少加强件的使用，降低车身重量，提高产品精度，是车身轻量化的实现手段之一。

车身轻量化是多学科、多目标的复杂设计优化过程，并非单纯地减少车身重量，还要综合考虑行驶过程中的碰撞、噪声、振动、声振粗糙度、安全性等，在性能不变甚至有所提升的基础上进行轻量化设计。

西方国家在轻量化方面起步较早，轻量化成果也在不断更迭。1970年、1980年、1990年间，美国的轿车平均质量分布为1585kg、1375kg、1312kg，20年间减重达273kg^[14]。20世纪以后，WINTERR等人使用塑料/金属混合材料替代传统钢材，能量吸收增加30%，减重45%^[15]。

我国车身轻量化技术起步较晚，汽车重量一般在1.45t左右，比国外同款车型重约10%^[2]。我国汽车轻量化技术在节能减排、科技创新，特别是在“十四五”规划和2035远景目标纲要的政策推动下不断向新材料、新工艺发展。国内奇瑞大部分车身采用高强度镁铝合金，刚度提升超60%且减重40%。奇瑞EQ1车身用镁合金替代钢结构前车身，减重达58.6%，零件由89个降为50个^[7,16]。

在汽车设计方面，一汽生产的奔腾X80车型，采用有限元技术和拓扑优化等手段，比同类汽车减重约100kg，吉利汽车FE车型通过优化设计散热器格栅支架，在保证安全性能前提下减重2.2kg^[2,17]。江淮汽车某款车型应用热成型技术实现车身轻量化，研究表明，热成型钢板相对于传统高强度钢的轻量化率为20%～30%^[18]。激光拼焊技术在前纵梁、门内板和B柱加强板等都有应用[19]。

近年来我国经济发展速度放缓，环保意识逐渐增强，随着汽车保有量的提高，轻量化发展势在必行。目前常用的轻量化材料有铝合金和高强度钢，值得注意的是，我国镁矿产资源丰富，且镁质量轻，能在铝减重基础上再减轻15%～20%。若能加大对镁合金的研发应用，降低镁合金的成本，车身轻量化将迎来突破性进展。结构优化贯穿于车身设计全过程，本文主要从轻量化系数中的扭转刚度入手，介绍了两种提高扭转刚度的方式。成型技术与连接工艺主要介绍了热成型、液压成型、激光拼焊三种，能在提高材料利用率的同时实现轻量化。技术创新才能不断开发新材料新性能，新材料也需要优化结构设计，同时辅助以新的成型工艺和先进技术装备，实现材料、结构、工艺三者有机结合，才能真正实现将合适的材料制成合适的部件、合适的部件放在合适的位置，实现局部强化、整体减重、性能优良的轻量化车身。