李寧寧，呂貽旬，劉 慎

(奇瑞汽車河南有限公司，河南 開封 475000)

汽車車身輕量化是提高汽車動(dòng)力性、減少燃料消耗、減低排氣污染、提高使用壽命的重要途徑之一。汽車輕量化問題是近年來汽車研發(fā)制造的一大趨勢(shì)。所謂汽車輕量化，是指在保證汽車各部分強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡量減輕整體重量，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力不變的情況下，能獲得更大的加速度，既提高了燃油效率、又減少了尾氣排放，是汽車未來發(fā)展的重要方向之一。據(jù)相關(guān)資料表明，整車重量減輕5%，基本可保證降低相同比例的燃油消耗。

車身重量約占整車質(zhì)量的一半，對(duì)車身輕量化的研究對(duì)整車輕量化有較大的貢獻(xiàn)。目前，汽車車身輕量化的研究方向主要集中在以下幾個(gè)方面：高強(qiáng)鋼板及其先進(jìn)制造技術(shù)、新工藝應(yīng)用、輕質(zhì)材料的選擇及車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等[1]。

1 高強(qiáng)鋼板及其先進(jìn)制造技術(shù)

因高強(qiáng)度鋼可有效增加車身本身結(jié)構(gòu)的彎曲及扭轉(zhuǎn)剛度，甚至能夠直接強(qiáng)化其自身的抗撞及碰撞能量吸收能力，且其具有良好的生產(chǎn)制造效率及經(jīng)濟(jì)性，目前90%以上的汽車車身仍采用高強(qiáng)度鋼，因此在此基礎(chǔ)上采用新的制造技術(shù)對(duì)車身降本有重要的意義。

1.1 激光拼焊

激光拼焊是將不同材質(zhì)、不同料厚或不同表面處理的板料拼焊在一起，然后通過傳統(tǒng)沖壓成形的方式?jīng)_出需要形狀零件的一種成形方式，門內(nèi)板、側(cè)圍、門框等零件均可采用拼焊板成形技術(shù)。這種工藝的應(yīng)用不僅降低零件的種類、降低生產(chǎn)成本，而且增加了結(jié)構(gòu)的整體性和尺寸精度，廣泛應(yīng)用于航空航天制造業(yè)中。但由于焊縫的影響，與普通板材相比，激光拼焊板的成形極限降低，影響生產(chǎn)制造的質(zhì)量及效率。針對(duì)這一缺陷，國(guó)內(nèi)外研究人員從不同角度進(jìn)行了研究，如NINFORGE D、YOUNGMOO H等人研究了在拼焊板成形過程中，焊縫兩側(cè)材質(zhì)不同、需要的變形力有差異，針對(duì)不同的材料施加合適的壓邊力，則可能減緩焊縫移動(dòng)情況，并經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)該種方法是有效的；KINSEY Brad Lee等人研究了采用液壓缸夾持焊縫來控制焊縫的移動(dòng)，從而增加其成形能力；SHIN J K等人發(fā)現(xiàn)對(duì)拼焊板門內(nèi)板的母材、厚度及焊縫位置進(jìn)行優(yōu)化，不僅可以有效控制零件的形狀精度，同時(shí)能夠提高拼焊板整體的成形能力，進(jìn)而提高拼焊板的綜合性能。

1.2 液壓成型

與一般沖壓成形不同，液壓成形是利用液態(tài)水或油的壓力，代替剛性的凹?；蛲鼓?，通過傳力介質(zhì)使板料貼合凸?；虬寄?shí)現(xiàn)所需零件形狀。液壓成形能實(shí)現(xiàn)車身輕量化，主要是因?yàn)橐簤撼尚蔚牧慵|(zhì)量控制方面比傳統(tǒng)沖壓成形的較高，進(jìn)而提高了零件的成形極限，同時(shí)該種成型方式減少了部分模具開發(fā)費(fèi)用。目前液壓成形在汽車車身上的應(yīng)用主要集中在型面較復(fù)雜且對(duì)精度有較高要求的零件，如汽車翼子板等。

除了一般的液壓成形方法外，國(guó)內(nèi)外研究人員還對(duì)帶周向液壓的充液拉深法、外周帶液壓的充液反拉深法、超聲波振動(dòng)充液拉深法、差溫充液拉深技術(shù)[2]、成對(duì)液壓成形新工藝、充液變薄拉深新工藝以及微溫充液拉深等有深入的研究。

1.3 熱沖壓成形

熱沖壓成形技術(shù)是利用金屬塑性成形的原理，將板料加熱至一定溫度(奧氏體狀態(tài))，然后進(jìn)行沖壓處理，在沖壓成形過程中實(shí)現(xiàn)板料淬火處理的成形方式，最后獲得具有超高強(qiáng)度的零件。熱沖壓成形技術(shù)具有零件尺寸精度高、零件成形性能好、車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和零件表面硬度及耐磨性高的優(yōu)點(diǎn)。車身上一般熱沖壓成形零件如圖1所示。

2 輕質(zhì)材料

2.1 鋁及鋁合金

在輕質(zhì)材料中，純鋁具有很強(qiáng)的塑性和韌性、硬度低，不適用于機(jī)械上要受力的制件，但鋁合金中的鍛鋁具有良好的焊接加工性、耐腐蝕性及抗疲勞性等綜合性能；另外隨著鋁合金焊接性能研究的深入，使鋁合金在汽車車身輕量化中應(yīng)用越來越廣泛。

與傳統(tǒng)鋼板相比，鋁合金在車身上的優(yōu)缺點(diǎn)如下：(1)缺點(diǎn)。a)材料及研發(fā)成本高，約是傳統(tǒng)鋼板車身的一倍；b)加工工藝復(fù)雜、難度大，因傳統(tǒng)焊接工藝應(yīng)用于鋁合金上時(shí)效率低、不利于大批量生產(chǎn)，鋁合金車身目前較成熟的拼接工藝是自沖鉚接拼技術(shù)，且生產(chǎn)過程要求極高；c)后期維修困難且成本高。(2)優(yōu)點(diǎn)。a)車身輕量化；b)表面質(zhì)量?jī)?yōu)良；c)強(qiáng)度高、整體穩(wěn)定性好；d)高防腐、高耐熱性。

出于成本和生產(chǎn)條件的限制，鋁及鋁合金車身多適用于高端豪華轎車及跑車上，關(guān)于鋁及鋁合金在車身輕量化上的應(yīng)用，歐美等國(guó)家的研究步伐要快于我國(guó)。目前我國(guó)在鋁及鋁合金車身上的研究逐漸加速，應(yīng)用也逐漸廣泛，我公司小螞蟻電動(dòng)車車身就是采用的全鋁框架。這種車身輕量化方式，會(huì)成為未來我國(guó)鋁加工行業(yè)和汽車行業(yè)重要的研究方向之一。

2.2 鎂及鎂合金

鎂合金較鋁合金來說，是更輕量化的材質(zhì)，具有良好的抗震、降噪、抗電磁干擾和耐蝕性，且易回收，被譽(yù)為“綠色金屬結(jié)構(gòu)材料”。鎂合金由于其優(yōu)良的性能多用于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)、車體系統(tǒng)、引擎系統(tǒng)和底盤系統(tǒng)等部位，不僅可以達(dá)到輕量化的目的，更能實(shí)現(xiàn)降噪、吸震、提高成型性和車身剛度，提高安全性，全球很多車企對(duì)鎂合金的研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)已日漸增多。

我國(guó)鎂資源居世界之首，鎂產(chǎn)量占世界產(chǎn)量達(dá)70%。鎂合金目前在我國(guó)車企中的應(yīng)用多為中小殼體件，大型件及復(fù)雜件的生產(chǎn)技術(shù)仍不成熟。近年來鎂合金的開發(fā)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化被列為國(guó)家重大科技攻關(guān)專項(xiàng)，在這種背景下，我國(guó)鎂及鎂合金的開發(fā)技術(shù)有了質(zhì)的飛越，多家制造公司和車企已形成不小規(guī)模的鎂合金生產(chǎn)基地，結(jié)合我國(guó)鎂合金資源優(yōu)勢(shì)，研發(fā)適用于汽車多數(shù)結(jié)構(gòu)件且性能優(yōu)良、生產(chǎn)可行的車用新穎零部件指日可待。

2.3 工程塑料及復(fù)合材料

汽車輕量化中另一類理想材料是工程塑料和復(fù)合材料，應(yīng)用較廣泛。工程塑料在強(qiáng)度、耐熱、耐疲勞、抗老化及化學(xué)方面的性能優(yōu)良，代替金屬可實(shí)現(xiàn)減重40%。另外在加工成型性、產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性方面均優(yōu)于金屬材料，在車身輕量化的應(yīng)用方面占了很大比重。目前汽車車身上的工程塑料主要集中在內(nèi)外飾上，如質(zhì)保橫梁、翼子板、儀表板、玻璃、支架等。汽車車身結(jié)構(gòu)件和外裝件用工程塑料的開發(fā)和研究，及如何有效的回收利用、更安全可靠等是今后重要的發(fā)展和技術(shù)方向。

復(fù)合材料是汽車輕量化的一種新型選材，且在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，在汽車車身中主要應(yīng)用于頂蓋、門框、保險(xiǎn)杠、格柵及內(nèi)飾件。復(fù)合材料密度小，材料性能具有可設(shè)計(jì)性，所以汽車零部件對(duì)力學(xué)、機(jī)械性能及其他防腐、耐磨、抗震等條件要求均可通過人為調(diào)整最大限度以達(dá)到使用要求，甚至很多性能優(yōu)于金屬材料，因此復(fù)合材料很大程度上能滿足汽車工業(yè)的發(fā)展要求。但復(fù)合材料一般具有成本較高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)且不易回收等缺點(diǎn)，也一定程度上限制了其在汽車上的應(yīng)用。近年來，隨著科技的發(fā)展，對(duì)復(fù)合材料新技術(shù)、新工藝的不斷摸索，及復(fù)合材料對(duì)車身線條設(shè)計(jì)和外觀高品質(zhì)要求的契合，復(fù)合材料在汽車車身上的應(yīng)用潛力依然巨大。

3 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在項(xiàng)目初期對(duì)車型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，一般可通過拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。拓?fù)鋬?yōu)化，是指在給定的設(shè)計(jì)空間、約束條件、載荷條件和特定工藝的要求下，由軟件確定結(jié)構(gòu)的最佳材料分布和連接方式；拓?fù)鋬?yōu)化的方法應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初始階段，利用優(yōu)化計(jì)算來得到滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)材料分布。形狀優(yōu)化是拓?fù)鋬?yōu)化之后，對(duì)已確定拓?fù)浞绞降能嚿磉M(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中分析出最省材料的結(jié)構(gòu)形狀。最后根據(jù)已定的拓?fù)浞绞胶徒Y(jié)構(gòu)形狀，對(duì)結(jié)構(gòu)主要尺寸進(jìn)行滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求的最優(yōu)化。目前為止，結(jié)構(gòu)優(yōu)化離不開有限元仿真分析方法，現(xiàn)有的很多有限元軟件都可以支持拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化，代表性的有Hyerworks的Optistruct模塊，該軟件已被汽車設(shè)計(jì)和制造公司普遍使用。有些軟件甚至已實(shí)現(xiàn)幾何模型與網(wǎng)格的參數(shù)化設(shè)計(jì)，比如SFE Concept軟件，isight、optimus軟件，目前國(guó)內(nèi)上汽研究院、泛亞技術(shù)中心都已開展參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究工作[3]。

4 結(jié)語

目前國(guó)內(nèi)外車企車身上使用的材料仍以高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂和塑料為主。但隨著車身新材料、新技術(shù)、新工藝的研發(fā)及輕量化的迫切需求，汽車車身材料將趨向多元化材料輕量化的設(shè)計(jì)方向。但是過猶不及，汽車的重量還會(huì)影響到汽車的使用安全，所以在輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)還要考慮汽車的碰撞性能，以保證汽車的使用安全。所以在設(shè)計(jì)時(shí)要全面考慮，使設(shè)計(jì)方案各方面達(dá)到最優(yōu)。