黎泽永

（柳州五菱汽车工业有限公司，广西 柳州545007）

1 汽车轻量化技术概述

汽车轻量化概念的提出，是适应汽车产业的发展趋势。目前，汽车产业的发展面临着油耗、环保和安全三个问题，采用汽车轻量化技术，是出于节能减排和推进环保工作的目的，汽车朝着轻量化的方向发展，是汽车产业发展的大趋势。

汽车轻量化技术，是通过现代设计手段，在满足汽车使用要求、保证汽车行驶安全和能够控制成本的前提下，通过对汽车结构的优化设计、对材料的对比选择和制造技术的结合，以此降低汽车自身的重量，从而改善汽车的动力性、舒适性和良好的操纵性，减少排放污染，降低能源消耗、满足可靠性及安全性等综合指标。

2 汽车轻量化的意义

汽车在行驶过程中必须克服多种阻力，包括滚动阻力、空气阻力、上坡阻力和加速阻力：

从图1的公式中可以看出，只有空气阻力与质量无关，其余阻力都与质量成正比，汽车质量越大，行驶阻力越大，发动机动力性就得不到最大程度的有效利用。因此，减小汽车质量，从而减小行驶阻力，提高燃油经济性，是节能减排的有效措施之一。

图1 汽车自身质量对燃油消耗的影响

在驾驶方面，汽车轻量化后，加速性和最大车速提高，车辆稳定性和操纵性能都有改善，噪音和振动方面均有降低。从碰撞安全性考虑，碰撞时惯性减小，制动距离缩短。当发生碰撞时，碰撞时产生的能量也小，降低了对汽车的损害，更加安全。

3 汽车轻量化的原则

汽车一般由车身、底盘、发动机和电器设备四个部分组成，这四个部分来自各配套厂的成千上万个零部件装配而成。所以，汽车的轻量化，实质上是汽车零部件的轻量化。从表1可看出，汽车的质量主要分布在车身、底盘及发动机三大部分，在进行汽车轻量化设计时，原则上从零部件的轻量化入手，最后达到整车的轻量化效果。因此，零部件是汽车轻量化的主要目标。

表1 汽车自身重量的主要构成比例

4 汽车零部件轻量化的主要途径

现阶段实现汽车轻量化可以从以下几个方面开展：

4.1 采用轻型材料

轻量化材料的开发和应用是汽车轻量化技术一个主要研究方向。在替代材料方面，用先进高强度钢和铝、镁合金代替普通钢来制造汽车主要承载构件。还有塑料及复合材料，则在非结构件替换上起到重要作用，极大地降低了汽车的重量。

4.1.1 镁、铝合金材料

镁、铝合金材料是常用的低密度合金材料，其中铝的密度大约是钢铁的三分之一[1]，铝合金的导热率、吸收碰撞性、耐腐蚀性、加工性能均优于钢材，强度比接近或超过优质钢，完全可以满足轻量化要求。目前使用的铝合金主要是铸铝、锻铝、铝板材和铝型材，汽车用铝合金中，铸铝占主要部分，锻铝具有更好的力学性能，在汽车上也有应用。镁的密度大约是铝的三分之二，钢的四分之一，镁合金在散热、吸震以及压铸等性能方面均优于铝合金，是代替钢材的轻量化材料。

4.1.2 高强度钢

钢铁材料是汽车制造中使用最广泛的材料，高强度钢是汽车轻量化使用最多的材料。高强度钢按强化机理分，主要有固溶强化、析出强化、组织强化、烘烤硬化及细晶强化[2]。按强度分，有高强度钢和超高强度钢。按冶金学特征分，可分为普通高强钢和先进高强钢。先进高强钢是通过相变来达到高强度的，与深拉钢和传统低合金高强度钢相比。先进高强钢具有更大的屈服强度，在抗碰撞性能、耐蚀性能、抗疲劳性能和成本方面，先进高强钢较其他材料仍具有较大的优势，具有较高的减重潜力，在汽车轻量化和提高安全性方面都起着非常重要的作用。

4.1.3 塑料和复合材料

在汽车制造业中，塑料是使用最多的非金属材料。其种类可分为：高分子塑料、复合塑料、塑料合金以及纳米塑料和生物塑料等。聚丙烯、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯塑料具有密度小、良好的力学性能和加工性能且成本低的优点。主要应用在汽车的内饰、仪表板、保险杠、轮罩等部件[2]。

4.2 采用先进的制造工艺

在大量采用轻量化材料来实现汽车轻量化的同时，与之相匹配制造工艺也得到了广泛应用，如用于高强度钢板冲压件的热冲压成形工艺。如激光拼焊，可以将若干不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材、不锈钢材、铝合金材等进行自动拼焊而形成一块整体板材、型材等，以满足零部件对材料性能的不同要求，用最轻的重量、最优结构和最佳性能实现汽车轻量化。又如用于高强度钢板冲压件的热冲压成形工艺等，是汽车轻量化技术的重要工艺技术。

4.2.1 激光焊接

激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。与传统焊接相比，激光焊接具有速度快、效率高、焊缝深宽比大、热输入小、热影响区小、焊接变形小等优点[2]。从汽车零部件生产到车身制造，激光焊接已经成为汽车制造生产中的主要焊接方法。激光焊接在汽车制造中的主要应用是板材的激光拼焊，也就是将不同厚度、不同材质、不同强度、不同冲压性能和不同表面处理状况的板坯拼焊在一起[2]，从而达到最合理地使用不同级别、厚度和性能的钢板，减轻汽车质量。当激光拼焊技术应用于车身侧围的制造，不再需要任何加强杆、加强筋及附属的生产工艺，则质量和零部件数量都会减少。此外，激光拼焊板在车门上的应用还使铰接区域的刚性得到整体加强，使车门的质量降低。激光焊接在汽车制造中的另一个重要应用是车身框架的激光焊接。激光焊接是连续连接，比传统点焊的间断连接能更好地传递载荷，从而提高了车身的刚度和强度，使车身冲压件的搭接边宽度减少，减轻了车身重量。

4.2.2 液压成形

与传统的成形工艺相比，液压成形件的强度与刚度都有提高，成形件的回弹性小，成形精度高、表面质量好，可节约材料、减少配套模具数量、降低制造成本。液压成形作为汽车轻量化技术，主要应用于车身结构件、支架、框架类零件等。

4.2.3 高强度钢热成形

高强度钢热成形技术专门用于高强度钢钢板冲压成形的先进制造技术，与传统的冷成形加工工艺相比，热成形工艺的特点是加工板料上存在一个不断变化的温度场。在温度场的作用下，板材的基体组织和力学性能发生变化，导致板材的应力场发生变化，同时材料的应力场又反作用于温度场，所以热成形工艺就是板料内部温度场与应力场共存且相互作用，相互耦合的变化过程。高强度钢热成形技术是集落料、加热、防氧化、冲压、淬火冷却、切形和喷丸处理等为一体的综合制造系统，是体现机械加工、电控和材料化工紧密交叉的前沿高新技术。高强度钢热成形技术是实现汽车轻量化的重要技术途径。

4.3 结构优化设计

由于轻量化理论和设计及分析软件的不断出现，结构优化设计成为汽车轻量化的主要措施。从汽车结构上运用先进的设计理念，合理的减小零件的厚度、去除冗余材料、改变零部件结构，从设计上实现汽车的轻量化。结构优化设计方法主要包括尺寸优化、形状优化和拓扑优化。

4.3.1 尺寸优化设计

尺寸优化是最简单直接的结构优化方法，也叫参数优化设计技术。它是通过对结构单元的尺寸进行修改，从而达到结构优化的目的。尺寸优化主要针对的是零件的截面和厚度等尺寸，一般以板壳的厚度，如冲压件的壁厚，梁的截面尺寸、横截面积，减重孔的尺寸等参数为设计变量，以满足不同工况下的刚度、强度、振动、吸能等为约束条件。

4.3.2 形状优化设计

形状优化设计是通过改变结构的边界或内部形状来改善特征的优化方法。将参数化设计技术应用到形状优化设计，调整结构设计域内的整体或者局部外形以达到最理想的几何形状，同时减小应力集中，使得结构受力更加均匀，从而更加充分地利用材料，有效地减轻结构的质量。在汽车结构优化中，通过优化主要梁截面的截面属性，使部件薄壁化、中空化、小型化以及对零部件结构的外形零部件空洞的形状、凸台倒角形状等方面进行优化设计，继而实现汽车的轻量化。

4.3.3 拓扑优化设计

拓扑优化以材料分布为优化对象，事先指定设计空间的材料分布，给定位移、应力、和目标函数，在设计空间内寻求结构中的构件布局及节点连接方式。通过优化算法自动给出最佳传力路径，保证外载荷传递到结构的支撑位置以及其他位置的性能最优，从而节省最多的材料[2]。

5 CAE技术在汽车零部件轻量化设计中的应用

CAE技术是计算机技术和工程分析技术相结合所形成的一门新兴技术，它的理论基础是有限元法和数值分析方法。有限元法的基本思想是将数值连续的求解区域离散为一组按一定方式相互连结在一起有限个单元的组合体，可以模拟几何形状复杂的求解域。数值分析方法是适合在计算机上使用的切实可行、理论可靠、计算具有复杂性的数值计算方法。

5.1 CAE技术现状及发展趋势

5.1.1 与CAD软件的无缝集成

当今有限元分析软件的发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即是在用CAD软件完成零部件的造型设计后，直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求，需重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计效率和设计水平。

5.1.2 更为强大的网格处理能力

有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性，近年来各软件开发商都加大了在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高。

5.1.3 由求解线性问题发展到求解非线性问题

随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决问题，必须进行非线性分析求解。为此，国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。

5.1.4 由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解

当前用于求解结构线性问题的有限元方法和软件都比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。随着有限元的应用越来越广泛深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。

5.1.5 程序面向用户的开放性

随着商业化程度的不断提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的实际需求，在软件的开放性方面，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。

5.2 CAE技术在汽车零部件轻量化设计中的实施方法

在现代汽车设计中，CAE技术得到了广泛的应用，涵盖了汽车结构的各个总成件。运用CAE技术可以实现汽车的轻量化设计。利用CAE技术，结合有限元法与结构优化方法，对汽车零部件进行结构优化，是实现汽车零部件轻量化的一个重要研究方向。

轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化，通过计算机有限元仿真等技术，在保证汽车性能的前提下，实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化。利用CAE优化技术可以快速提供实际问题的解决方案。

利用CAE技术进行汽车轻量化优化设计的一般步骤：

（1）建立目标函数。目标函数是用设计变量来表示的所追求的目标形式，是评价设计方案优劣程度的依据，建立目标函数的过程就是寻找设计变量与目标的关系的过程，因此建立一个适当的目标函数是轻量化优化设计过程中最为重要的前提之一。当选择一性能标准为目标函数时，其余的都可以作为约束条件来处理，通常选择最重要的工作特点作为设计目标，这些目标表示成设计变量的数学函数，即目标函数。优化的数学模型可表述为：

目标值:f（x）=f（x1，x2，…，xn）

约束条件：g（x）≤ 0

h（x）=0

其中 x=x1，x2，…，xn是设计变量；f（x）是目标值；g（x）是不等式约束条件；h（x）是等式约束条件；xli≤x≤xui是上下限约束条件。

（2）确定设计变量。在结构优化设计过程中发生改变从而提高性能的一组参数称为设计变量需要。它可以是常量，也可以为变量，是允许在结构优化设计期间进行更改的数值输入。在结构优化设计中参与的设计变量可以分为两类：一类是几何参数，如板壳的厚度、宽度、截面面积等；一类为物理参数，如材料的弹性模量、屈服极限、钢的标号、应力、结构的固有频率等[3]。

（3）选取约束条件。约束条件是对设计的限制，是对设计变量和其他性能的要求。相对于设计变量和目标函数，约束条件是最复杂也是最重要的，选择准确与否直接关系到所得结论的真实可靠。因此，全面准确地设定各种约束条件是结构优化设计的关键。约束条件通常包括各种刚度条件、强度条件、运动学条件、动力学条件、几何条件、工艺条件等，有时还包括一些附加约束条件。

（4）选择优化方法求解。根据变量、约束、目标、问题性质、时间因素和函数关系等不同情况，优化问题的求解方法有分层解析法、直接法、数值计算法等。对所提出的数学模型进行认真分析，从设计变量的个数，目标函数的复杂程度、约束条件的数目及复杂程度等方面，对现有的优化方法进行初步选择，从所有可能的方案中选择出最合理的、以达到最优目标的方案。然后以简单实例进行计算，比较各种方法的求解时间及精度。一般来说，运算时间较短的优化方法是比较好的方法。

（5）分析评估优化计算结果。用设计出的三维实体模型进行CAE分析，如果分析结果不能满足设计要求，则需修改结构，再进行CAE分析，直到满足要求为止。设计者从满足给定的设计要求的多个可行方案中，按照规定的目标选出最优的方案。有时计算结果出乎意料，就要分析一下具体原因，不应完全依赖数学方法的计算结果，而要根据实际情况及自身的经验对优化求解结果进行分析，看其是否合理，能否应用于实际。

下面的图2给出了优化设计的流程。

图2 优化设计过程框图

6 汽车零部件轻量化设计实例

图3是一外后视镜支座总成，上、下支座过于笨重，材料成本高。要求在保证强度和刚度等性能的前提下尽可能使其轻量化。

图3 后视镜支座总成

6.1 轻量化设计要求

设计要求镜杆端部的结构借用原有结构，镜子的位置不变，杆径不变，重新设计支杆。上支座的固定方式参照图4，零件工艺不变。重新布置后视镜下支座安装点。并重新设计安装点支座。要求支座在满足使用要求的前提下尽量轻量化。

图4 后视镜上支座的固定方式

6.2 约束条件与目标函数

已知外形几何参数和外载荷，结构重量设计要求作为约束，重量最小和最大应力作为目标函数，结构应满足刚度和强度的设计要求，即后视镜上支座、后视镜下支座、后视镜支杆应刚度条件和强度条件。

6.3 轻量化方案设计

根据设计要求，镜子的位置不能改变，后视镜支架镜杆部分不变动，可以变动的是上支座和下支座的位置，可以将上支座和下支座的位置作为一设计变量。经过调整，上支座和下支座的位置的确定如图5。

图5 上支座和下支座的固定位置

充分考虑后视镜支架镜杆端部与镜杆的相对位置并保持合理的外形，上支座调整到与车门保持适当的距离。为保证镜杆上下端部同轴，调整设计变量，下支座安装轴向车门外摆动2.65°，如图6。

图6 下支座安装轴角度调整

6.4 关键零部件轻量化设计

6.4.1 后视镜上支座优化设计

在对零件进行受力分析时，通过向零件主要受力位置逐渐增加材料，同时逐渐减少其他非主要受力位置处的材料。通过在不同位置布置材料，裁剪掉原先零件多余的部分，增加安装后视镜支架的部分，使零件的材料分布更加合理，从而避免局部应力高峰值的产生，如图7为后视镜上支座优化过程，经过优化，最后达到减轻零件重量的目的，之后再根据车门外形并考虑与车门的安装配合，适当修改外形曲面，此时对所设计的零件的重量进行初步测量，再与原来的零件比较，结果为192.4g/291.2g，重量降低了34%。

图7 后视镜上支座优化过程图

6.4.2 后视镜下支座CAE分析

边界条件：约束上下支座的安装孔位（fix)。施加载荷：管子上加一-Z向1 000 N的力。通过CAE分析，对比优化前后的应力集中情况，从图8可以看出，应力最大值降低，轻量化效果明显。后视镜下支座轻量化结果如图9、图10。

图8 后视镜上支座优化前后应力集中情况对比

图9 经过轻量化的后视镜支座总成

图10 经过轻量化的后视镜上支座

6.4.3 后视镜下支座优化设计及相关零部件改进设计

因下支座安装点作了调整，相关的设计变量也需作相应更改。下支座要安装在车门钣金上，需要在车门钣金增加一个与下支座安装面匹配的面。为此，对车门钣金上固定外后视镜下支座的加强板进行局部的型面修整。如图11，为了使下支座能够合理地安装在车门上，在车门加强板上增加一个面，并且在这个面上增加了两个与下支座的安装孔相匹配的安装孔。

图11 后视镜下支座安装位置

图12 为后视镜下支座优化前后应力集中情况对比，可以看出，应力最大值显著降低。

图12 后视镜下支座优化前后应力集中情况对比

图13 为整个后视镜支架总成的应力分布对比，可以看出，应力最大值有所降低。

图13 整个后视镜支架总成的应力分布对比

表2为后视镜支架总成各零部件应力分布对比，可以看出，各零部件应力最大值都有不同程度的降低。

表2 后视镜支架总成各零部件应力分布对比

6.5 优化结果

优化后的后视镜支架总成各零部件应力最大值都有不同程度的降低，优化后的各零部件减重402.4 g，减重率57%，表3为后视镜支架总成各零部件重量对比。见图14。

表3 后视镜支架总成各零部件重量对比

图14 后视镜支架总成

7 结束语

汽车轻量化对汽车节能降排、性能改善和能源战略规划以及汽车工业健康发展都具有重要意义，汽车轻量化技术的研究多以车身结构为主，而零部件的总质量约占整车整备质量的四分之三，在汽车轻量化方面具有很大的挖掘潜力，汽车零部件的轻量化研究将会进一步得到重视。汽车轻量化设计基于CAE技术进行，借助于三维模型对机构进行有限元分析、运动仿真、动力学分析，避免出现机构运动中的干涉现象，使设计中的“虚拟样机”检验发挥强大作用，确保机构安全可靠，结构优化合理，大大节约了制作物理样机和试验的费用。利用CAE技术进行汽车轻量化设计，改变了设计工程师依靠经验来进行优化、建模，再进行CAE分析，把CAE作为一种验算的工作模式。通过CAE计算，进行反复的迭代，寻找最优化的轻量化解决方案，给CAE驱动设计带来可能，改变以往对一个不理想模型状态进行优化的弊端，真正实现CAE驱动设计。