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基于汽车轻量化目标的车身材料选择及结构优化策略王东韩夏冰李亮摘要：随着国VI排放法规和双积分管理办法等政策的陆续出台，国家对汽车业提出了更为严苛的要求，汽车企业进行技术升级已迫在眉睫。在此背景下，汽车轻量化设计成为未来汽车业的重要发展方向。汽车轻量化是指在保证汽车刚度、强度以及安全性的前提下，尽可能减少整车整备质量，进而提高汽车动力学及续航里程等工作性能，降低燃料消耗及排放，实现低碳可持续发展。关键词：轻量化;汽车车身;结构优化0背景介绍研究表明汽车每减重10%，油耗可减少6%-8%，汽车整备质量减少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6L，汽车加速性能提高8-10%。针对燃油车，轻量化设计降低燃料消耗的同时还降低了污染物的排放，实现低碳可持续发展。关于新能源汽车，每减重10%，续航能力可增加5%-8%，纯新能源汽车每减重100kg，续航里程可提升10%-11%。因此我们要关注相关研究，可从以下几个方向开展。1汽车轻量化设计方向（1）结构轻量化。目前将CAD、CAE等先进的结构优化和設计方法应用于汽车轻量化设计，可以降低成本、缩短设计周期，又可通过对汽车车身、车上零部件模拟仿真计算，使得各零部件的结构在满足使用要求的同时，更轻、更薄、更紧凑。同时，设计理念要更新，在保证汽车产品刚度强度的同时，可采用集成化设计、拓扑设计和等强度设计等方法，例如对发动机曲轴进行中空设计来减轻质量，在其主轴颈与连杆轴颈位置可采用空心结构设计、优化平衡重的数量、曲柄形状等方式达到轻量化设计的目的。此外，可对车上部件进行模块化设计，形成车辆集成技术。例如在增压发动机中，可对发动机缸盖和排气歧管进行集成，不仅可以对排气歧管进行冷却，同时可以减小排气管法兰等联结零件的尺寸，从而减小整机尺寸和质量。据数据显示，采用此设计方法，一台排量为2L的增压发动机可减小质量2kg～3kg。（2）材料轻量化。汽车轻量化不仅要求对汽车产品现有结构进行改进，对汽车材料也提出了一定的要求。现阶段发展以高强度钢和先进高强度钢技术为主，目前因其制造技术成熟，成本低廉，已经得到广泛应用，目前国际主流车型的高强度钢占车身的比例已达60%以上，我国车身使用比例平均在50%以上，预计未来可高达60-65%，零件以车身钢板和纵梁为主。2021年-2025年将开发以钢铝合金为主线的轻型材料，同时加大对铝合金技术、镁合金技术、工程塑料技术、碳纤维复合材料技术的研发;铝合金质量轻、耐腐蚀、强度较高、易于加工、表面美观、回收成本低，目前在发达国家广泛应用。2026年-2030年重点发展镁合金、工程塑料、碳纤维技术在汽车上的应用及其循环利用。镁合金具有很高的比强度和比钢度、吸振能力强、切削性性能好;复合材料密度小、设计灵活美观、易成型，可用在发动机罩、车顶、保险杠、仪表盘等内外饰及制动钳、传动轴、壳体等零件上。工程塑料是一类可以作为结构材料，在较宽的温度范围内承受机械应力，在较为苛刻的化学物理环境中使用的高性能的高分子材料，主要包含ABS、尼龙、聚碳酸酯等，工程塑料的轻量化效果显著，成本较低，在汽车多种零部件中被广泛使用，碳纤维复合材料和玻纤增强复合材料在发展阶段，在今后的一段时间内，研发高强度、轻质材料是汽车轻量化研究领域的一个重要方向。（3）工艺。工艺方面可采用先进成型工艺，提升零件性能，获取更大的减重空间。目前轻量化工艺有激光拼焊、辊压成形、高强度钢热成形、内高压成形、RTM、中空注塑、低压发泡和局部增强嵌件等。2汽车车身轻量化发展趋势（1）多材料综合优化使用。1）铝合金。铝合金在轴向载荷作用下会产生渐进叠缩稳态变形，比吸能远远高于低碳钢结构。铝合金作为缓冲吸能元件，在碰撞安全性方面有明显的优势，而且应用于车身时，由于质量降低，碰撞时产生的动能减小，所以其在汽车上的应用呈现连续增长趋势。2）镁合金。镁合金的弹性较弱，在同等的受力情况下会发生较大的变形。所以，使用镁合金材料时，要提高镁合金板材的厚度或者重新设计板材结构。3）碳纤维复合材料。碳纤维是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。碳纤维质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、韧性强的特性。碳纤维可用于车顶、保险杠、座椅骨架、仪表板等零部件中，但是由于其成本较高，主要用于结构件和承载零部件，更为发挥其比刚度和比强度高于钢材的特性，一般用于高端车型。4）多孔材料。目前人们制造出各种各样的用于能量吸收的轻质多孔材料，如泡沫材料、蜂窝材料等。蜂窝材料用作吸能材料，具有明显的方向性，用于各种夹芯板和薄壁填充管具有突出的优势。泡沫材料可分为开孔泡沫材料和闭孔泡沫材料两种。其中，开口材料的抗压性总体优于闭孔材料。开孔材料又可以分为金属材料和非金属材料两种。金属泡沫材料，尤其是泡沫铝，密度小、变形能力大、比吸能好，具有均匀稳定的