宁红岩 关红刚

【摘 要】近年来，国内工业化进程不断加快，使得生态环境、自然资源等问题越发严重。再加上可持续发展需求和科学发展观提出，怎样贯彻落实生态环境保护与节能减排成为目前急需解决的问题。因此，本文针对汽车轻量化技术与新材料运用做出了进一步探究，对汽车轻量化发展的现状、热压成形技术、车身结构优化设计给出了详细的分析。

【关键词】新材料；汽车轻量化；应用

引言

2016年，中国汽车工程学会组织逾500位行业专家研究编制的《节能与新能源汽车技术路线图》正式对外发布，描绘了我国汽车产业技术未来15年的发展蓝图，轻量化成为七大技术路线图之一。《中国制造2025》中轻量化也被列为节能与新能源汽车发展目标的核心技术，所以，走在汽车轻量化前沿的企业才具备更大的市场竞争优势，汽车轻量化势在必行。

1、汽车轻量化研究的定义

关于汽车轻量化的定义，不能仅以减轻质量多少来衡量，同时需要考虑设计车身的尺寸以及功能。主要可以從以下3个方面进行论述：①满足使用功能的汽车通过减轻质量实现轻量化设计；②功能不能完全满足使用要求的汽车通过完善功能实现汽车轻量化设计，比如改进动力学性能、NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能等；③提高和改进性能的同时也使汽车减轻质量从而实现汽车轻量化。除去减轻质量外，汽车的轻量化设计还包含优化结构和价格合理化。现阶段实现汽车轻量化的技术主要有3类：①结构优化，将CAD、CAE、CAM技术结合使用；②使用轻量化材料，目前使用较多的是铝、镁、钛合金、高强度钢、塑料及复合材料等；③先进的制造工艺，主要有激光拼焊、液压成形、热成形等。

2、汽车轻量化的应用问题

2.1、技术相对落后

汽车轻量化技术直接关系着决定了汽车质量和材质轻重，但是结合实际情况进行分析，国内汽车轻量化技术依旧存在较大的发展空间。特别是针对冲压工艺方面，虽然多数以上的企业已经投入大量资金在新材料研发中，但是却没有获得明显成效，没有克服和解决材料强度要求和冲击工艺间矛盾。以冲压工艺为例，目前并没有实现冲压和材料强度的冲突解决，造成冲压环节经常发生裂纹、折皱等问题。同时，复合材料工业相对落后，复合材料的工艺水平较差，，没有掌握全套的核心技术，过于依赖进口技术也在一定程度上制约了轻量化技术发展。化工材料是汽车轻量化的基础条件，复合材料制造工作过于依赖国际上的科学技术，造成诸多材料无法及时创新和升级。而由国外引入技术，也在极大程度上提高汽车产品成本，影响轻量化汽车应用和普及。

2.2、材料普及率低相较于传统

汽车材料而言，化工新材料应用的范围相对较小。这使得材料供应商有限，部分稀有材料需要自行研发，大幅度提高轻量化汽车生产的门槛，造成化工新材料应用范围和普及力度过小。此外，一些化工新材料被企业列为商业机密，只有少数重头的企业持有，从而阻碍化工新材料应用和推广。新材料普及率相对较低，造成轻量化汽车后期服务和维修缺少经验，严重影响企业的形象，阻碍化工新材料在汽车轻量化的推广。

3、铝合金等新材料汽车轻量化应用

3.1、CAD/CAE/CAM的应用

在当前的汽车工业当中，CAD/CAE/CAM的使用对于一体化技术有着非常重要的意义，包括了在设计汽车和制造汽车的每项步骤，对于这些技术的使用可以有效实现轻量化汽车的制造和设计。此外，一体化技术的应用可以精准的对车身实体结构以及布局进行设计，对每个构件的开头配置，板材厚度的变化有了非常详细的分析，并在数据库中将系统直接生成的数据提取出来，以便对工程的刚度以及强度进行分析。针对轻质材料零部件的应用，可以进行强化分析以及运动干涉的详细分析，从而使材料的应用能够更加符合设计的各项要求。利用对车身、底盘、动力传动系统等相关零部件加工技术的整体研发，促进了汽车制造节能环保工作的实现。

3.2、高强度钢板的应用

对于高强度钢板的应用，其优势为将钢板减薄、减少车身的质量，并且不会减少安全性。不管是成本还是性能，对于高强度钢板的使用，都可极大的满足车身的轻量化要求，是将碰撞安全性进行提升的重要材料。

3.3、铝合金的应用

铝合金为一种轻质金属，是实现轻量化的理想材料，使用量和样式也在逐步增加，未来很有可能将钢板替代成为汽车车身使用的重要材料。

4、汽车的结构优化设计

4.1、传统的形状设计方法

传统的形状设计方法有：采用点作为设计变量，例如离散的节点或者是几何元素上的辅助控制点；使用提前设置好的几何形状元素的线性组合来描述结构的几何形状，设计变量则选取线性组合的系数；将几何参数作为设计变量，然后定义子程序来实现几何参数与设计单元控制点坐标的关系；如果包含有曲面、曲线，将决定边界曲线、曲面形状的几何参数作为设计变量。以上各种方法都存在问题，比如设计变量过多，处理时太过于繁琐，会出现难以描述的几何边界形状，需要编码，需要额外再处理曲线曲面关系等，因此传统的形状优化在实施过程中难度很大。

4.2、网格变形技术

网格变形技术和三维实体参数化形状优化设计系统的出现扭转了形状优化的局势，使得形状优化操作更加简单。网格变形技术是将一个给定的二维或者三维几何对象在外形上光滑、连续地变换成能够达到优化目标的几何对象。网格变形技术目前可以在多个CAE软件上应用，涉及的领域包括几何造型、计算机动画[7-9]、汽车局部优化[10-13]和车身造型的优化等，并且优化的方法也不尽相同。方剑光等[16]基于网格变形技术，采用优化拉丁方试验设计同时结合近似模型以及粒子群优化算法提出了多目标形状优化方法，研究表明，多目标优化方法可以成功地对白车身截面进行优化，而且设计者可以根据优化结果权衡各个目标，以指导最终决策。

4.3、拓扑优化

结构优化是给定位移、应力、材料和目标函数，在设计空间内寻求结构中构件布局及节点连接方式的最优化，保证外载荷传递到结构的支撑位置以及其他的性能最优。拓扑优化的前身是桁架优化。20世纪80年代，连续体结构的拓扑优化分析成为热潮，Bendsoe与Kikuchi最先提出了微结构概念和基于材料均匀化的思想。此后，其他一些更为简洁的方法，如均匀化法、水平集法、变密度法等，相继建立。均匀化法的思想本质上与尺寸优化相似，引入微结构到连续体中，以微结构的尺寸作为设计变量。均匀化优化是在力学和数学理论支撑下进行的，具有很高的严谨性。但是拓扑优化的特性导致自身优化变量很多，计算量很大，因此设计变量在计算时难度很大，优化后得到的多孔材料也缺乏实际的应用价值，所以均匀化法在工程中使用得很少。

结束语

总之，汽车轻量化技术的发展以及对新材料的应用，使汽车制造业在成形加工技术以及连接技术上的突破和创新。在轻量化技术全面发展的同时，材料的应用、工艺以及设计等层面也有了全面的成熟和进步。针对当前的产品、工艺以及材料的设计混合结构，简单来说便是同一个总成零件可以有不同的材料组成，实现了材料和零件功能的有效组合，可以成为未来汽车设计的重要方向。

参考文献：

[1] 郎勇.汽车轻量化评价方法[J].汽车实用技术，2018（08）：122-126+158.

[2] 于琦.汽车轻量化技术与新材料运用分析[J].汽车与驾驶维修（维修版），2018（02）：120.

[3] 高阳.汽车轻量化技术方案及应用实例[J].汽车工程学报，2018，8（01）：1-9.

[4] 郭容，刘咸超，杨越.新材料在模具设计和汽车制造工艺中的应用[J].南方农机，2018，49（01）：140-141.

[5] 周飞霓.材料加工技术创新与汽车轻量化探究[J].科学技术创新，2018（01）：182-183.

（作者单位：长城汽车股份有限公司）