任佳智 徐帆

摘要：新时代背景下，人们的生活水平得到提升，我国汽车保有量逐年递增，带来了能源短缺和环境污染两大弊端，而汽车轻量化技术能够有效地改善这些弊端。为此，本文深入分析了汽车轻量化技术的重要意义，系统阐述了汽车轻量化的两个关键点，即材料优化和结构优化，并对不同的有优化方式进行了详细的阐述。

关键词：汽车;轻量化技术;材料;结构

中图分类号：U467.1+9                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）16-0177-02

0  引言

随着社会经济的发展，人们的物质生活水平得到了显著的提升，出行工具也发生了极大的改变，从自行车到摩托车，再到现在的汽车。当前，汽车已经成为了人们出行的主要交通工具。在这种情况下，我国汽车保有量逐年上升，呈现快速增长趋势，随之带来了诸多问题，如交通拥堵、交通事故增多、汽车尾气污染、不可再生能源短缺等问题。而通过优化汽车材料和结构实现汽车轻量化，可以改善汽车尾气污染和不可再生能源短缺问题。因此，汽车企业在汽车轻量化方面做了大量的研究工作，致力于制造出成本低、污染小、安全性能高的汽车。根据以前的研究工作，可以发现，汽车轻量化极具实际意义，能够有效地降低能源损耗，从而在一定程度缓解尾气污染和能源损耗问题，以适应新时代发展理念和满足现代化发展需求。

1  汽车轻量化的实际意义

汽车轻量化是指在汽车造价不变的情况下，从多方面对汽车重量进行优化，以提升汽车速度、减少尾气排放和降低燃料损耗，与此同时，保证汽车的稳定性、舒适性和安全性。在汽车轻量化过程中，实现汽车轻量化目标的同时，需要遵循一些基本原则：一是保证汽车抗震性;二是满足汽车抗撞性要求;三是汽车结构符合新时代人们审美。具体而言，汽车轻量化技术有利于汽车现代化发展，其实际意义表现为以下两点：

一是缓解能源损耗和环境污染问题。许多研究结果都表明，汽车的油耗和汽车的重量是成正比关系，汽车总重量越大，汽车的油耗也越高。而汽车轻量化技术能够有效地减轻汽車总重量，从而降低油耗和减少汽车尾气的排放量，进而缓解环境污染问题。二是有利于提升汽车性能。根据汽车动能计算公式可以得出，在汽车加速到一定速度时，汽车质量越大，所需的能量越大。而汽车轻量化技术能够减轻车身质量，汽车总质量降低，可以缩短汽车加速时间，提升汽车的启动性能，减少汽车动力系统传输系统的负荷，获得良好的汽车驾驶性能。

根据前人研究结果表明，汽车质量降低10%就具有许多的实际意义，具体意义如图1所示。

2  汽车轻量化材料概述

汽车轻量化技术的关键因素之一是汽车材料，通过优化制造材料来降低汽车的总体质量。汽车轻量化材料主要包括两种：一种是高强度材料，常见的是高强度钢，这种材料的特性是少量材料具有较高强度;另一种是低密度轻质材料，包括铝、钛、镁及其合金等，具有比强度高的特性。

2.1 高强度钢

高强度钢的主要合金元素有Cr、Si、Mn、Mo等，其具有较高的抗拉强度和屈服强度。由于其具有强度高的特性，这种材料常用于汽车车身的制造，可以提升汽车的抗撞击能力。此外，与普通钢板车身相比，在保证车身强度不变的情况下，高强度钢板车身在质量上可以减少20%以上，板材厚度可以减少1.5mm左右，可以减轻车身的质量。因此，高强度钢在减轻汽车质量和提升车身强度方面有十分重要的作用。高强度钢目前常用于制造车身的关键部位，如地板通道、车顶加强梁等，有效地提升汽车的抗撞击安全性。高强度钢在汽车轻量化中广泛应用的原因可以总结为以下两个方面：其一，相较于普通钢，高强度钢的强度、刚度等力学性能表现优异，具有比较高的安全性;其二，与高比强度的钛合金相比，高强度钢的材料价格较低，从而降低汽车的生产制造成本。

2.2 铝及铝合金

铝及铝合金是一种密度小、弹性好、比刚度和比强度都较高的金属材料，而且这种材料的耐磨性能和耐腐蚀性能也较好，通常还能够在成品报废时进行回收利用。由于这些优良的性能，铝及铝合金在早期就应用于汽车轻量化技术中，在汽车领域应用特别的广泛。然而，由于其与钢材相比，强度和承载性能较差，限制了铝及铝合金的应用。特别是在汽车强度要求较高的部位，铝及铝合金的强度难以保证汽车的抗撞击性能。此外，铝及铝合金对生产技术要求较高，如焊接工艺、铸造工艺等，也是限制其应用的因素之一。但不可否认的是，铝及铝合金是一种重要的汽车轻量化材料，用于制造汽车车轮、离合器壳体、变速器壳体等。

2.3 钛及钛合金

钛及钛合金具有优异的物理化学性能，包括韧性高、强度高、抗腐蚀性能好以及耐磨性能良好等。此外，钛及钛合金还具有良好的加工性能和耐热性能。由于钛及钛合金具有这些优异的性能，它成为一种实现汽车高性能化的重要发展材料。然而，目前在汽车领域中钛及钛合金的使用比例并不是很高，主要是局限于该材料的价格较高和提纯难度较大。钛及钛合金只要能解决了这两个难题，其在汽车轻量化方面大有可为，将会是一种较为理想的车身材料，既能够保证车身的强度和硬度，也能够减轻汽车的整体质量，目前主要应用于汽车发动机气门、气门弹簧座、发动机连杆等。

2.4 镁及镁合金

镁及镁合金是一种极具潜力的汽车轻量化结构材料，该材料具有良好的物理和化学性能。一是质量轻、密度低。这一特点是镁及镁合金成为汽车车身轻量化材料的基础，它相较于铝合金更轻，属于一种特别轻的金属材料。二是比强度较高。镁及镁合金的比强度相比铝合金与钢材料都要高，这表明在相同质量的情况下，它的强度要更高。三是比刚度较高。相比于铝合金和钢材料，镁及镁合金的比刚度没有太大差异，均具有较好的比刚度。四是阻尼系数和消震性能也较为优异。相较于铝合金，镁及镁合金具有更好的承载能力，常被用于制造汽车壳体，也可以用于降低汽车噪声，提升汽车的安全性和舒适性。五是加工性能优异。镁及镁合金的铸造性能和尺寸稳定性十分优异，且加工性能好，极少出现制造废品。由于镁及镁合金具有上述优异的性能，其发展前景十分可观，有助于实现汽车车身轻量化。然而，目前该材料的应用主要受限于其抗蠕变能力与高温疲劳性较差。这两个方面需要研究者们进行研究探索，突破制造难点，扩大镁及镁合金的使用范围。

高强度钢、铝、钛、镁及其合金是汽车轻量化技术中的重要材料，本文对其进行了简要的概述，并对这些材料的性能及应用进行了系统性总结，如表1所示。

3  汽车轻量化结构优化概述

汽车轻量化除了可以优化车身材料之外，还可以通过优化汽车零部件结构。

3.1 拓扑优化方法

拓扑优化方法是汽车轻量化设计中最具发展潜力的方法之一，在近年来研究成果凸显，已广泛应用于汽车结构优化当中，特别是应用于产品结构概念设计。利用拓扑优化方法优化的结构主要可以分为两种，分别是离散型结构和连續型结构，结构优化步骤如图2所示。

第一，划分设计区域，主要依据待优化结构件的具体方位进行划分，保证不影响其他零部件的正常工作;第二，建立目标函数，主要是依据已划分设计区域中的材料力学性能和具体参数建立符合优化条件的目标函数;第三，达到材料最优分布，利用目标函数进行计算，求得结构件材料的最优分布和力量传导的最佳路径，从而使得结构性能达到最佳状态。通过拓扑优化方法可以设计出最佳的汽车车身结构，而且该优化方法相较于其他设计方法更为高效，能够减少结构设计的开发和验证时间，从而提高生产效率和降低生产成本。

3.2 尺寸和形状优化

尺寸和形状优化是汽车轻量化技术最早使用的结构优化方式。尺寸优化是指在保证结构件性能的同时，对结构件的尺寸进行优化，降低其重量。而形状优化更多是在汽车零部件结构设计阶段，优化零部件的结构形状，以最优形状实现汽车轻量化，且能够保证零部件的性能不被影响。目前，计算机技术发展迅速，利用该技术能够建立数学模型和进行有限元分析，使得尺寸和形状优化速度更加的便捷、迅速和精确。

4  结语

现代化发展需求对汽车工业化水平提出了更高的要求，不仅要保证安全性、舒适性，还要考虑能源损耗和尾气排放量。而汽车轻量化技术能够有效地减轻汽车的总重量，从而提升汽车速度、减少尾气排放和降低燃料损耗，具有缓解环境污染问题和提升汽车性能的重要意义。汽车轻量化主要可以从材料和结构两个方面进行优化。在材料方面，汽车轻量化材料主要包括高强度钢、铝、钛、镁及其合金等。在结构方面，主要方法有拓扑优化方法，利用该方法设计零部件结构，以得到最优的材料分布和尺寸形状，进而实现汽车轻量化目标。

参考文献：

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