异种材料轻量化结构优化和连接技术

汽车轻量化在改善燃油经济性、降低排放方面起着重要作用，而车身轻量化在汽车轻量化中起着举足轻重的作用。车身轻量化的实现可通过采用轻量化材料或对车身进行结构优化来实现。应用轻量化材料的过程，涉及到异种材料的连接技术。对异种材料车身进行结构优化，可以进一步减轻车身质量。因此，介绍了车身异种材料连接技术和车身结构优化方法。

在汽车车身中，异种材料的连接可分为金属和金属材料的连接以及金属和非金属材料的连接。传统的熔焊连接方法，由于两种材料的冶金不相容性，因此在连接界面处可能形成脆性化合物，或者由于两种材料的热物理性能不匹配而产生残余应力，这些都将影响连接处的力学特性。采用胶接连接或机械连接技术可解决上述问题。考虑到采用异种材料的目的是实现车身的轻量化，而机械连接可能抵消取得的轻量化成果。因而，采用胶接连接技术来实现异种材料的连接。采用拓扑优化方法可实现车身的结构优化，并对车身材料分布进行优化，使车身材料更好地发挥性能。车身结构采用拓扑优化方法时，设定车身质量为目标函数，将车身框架的横截面积和车身覆盖件的厚度作为设计变量，将车身各部分承受的负载和相应的几何形状作为约束条件。考虑到实现车身轻量化会导致的成本增加，将包括材料成本和制造成本在内的车身成本作为另一个目标函数。将车身质量目标函数优化后的结果与车身制造成本相结合，并采用参数化优化方法进行优化。利用Ansys Workbench V14.5软件对所采用的材料连接技术和车身结构优化方法进行仿真。仿真结果表明，通过采用轻量化材料，并进行拓扑优化和参数化优化，可减轻车身质量30%～35%，且不会显著影响车身的性能和成本。

AnujAnand etal.SAE 2016-01-1394.

编译：李臣