趙博宇

摘要：在我國汽車制造行業(yè)發(fā)展中，汽車制造工藝不斷優(yōu)化創(chuàng)新，其中輕量化技術(shù)可以有效降低汽車能源消耗，改善生態(tài)環(huán)境，達(dá)到節(jié)能減排的目的，與我國可持續(xù)發(fā)展理念相符合，是我國汽車制造行業(yè)未來主要發(fā)展趨勢。因此，本文通過分析輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期加強(qiáng)技術(shù)推廣力度，充分發(fā)揮技術(shù)應(yīng)用效能。

關(guān)鍵詞：汽車工程;輕量化技術(shù);應(yīng)用現(xiàn)狀

引言：輕量化技術(shù)是對(duì)汽車設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在滿足汽車使用需求基礎(chǔ)上，盡可量減輕車身質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)控制汽車能耗、改善操作性能、降低排氣污染等目的，是當(dāng)前解決溫室氣體排放問題和緩解石油資源短缺矛盾的主要途徑。

1、輕量化技術(shù)在汽車工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1.1.尺寸優(yōu)化

從技術(shù)發(fā)展角度來看，汽車結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化是最早出現(xiàn)的一項(xiàng)技術(shù)手段，以車輛結(jié)構(gòu)、零部件的規(guī)格尺寸為主要設(shè)計(jì)變量因素，如壁厚值、減重孔尺寸等。模擬不同的車輛行駛情景，對(duì)車輛結(jié)構(gòu)規(guī)格尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，同步觀測汽車行駛情況與零部件運(yùn)行工況，根據(jù)模擬結(jié)果明確各項(xiàng)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的約束條件。設(shè)計(jì)人員構(gòu)建配套的函數(shù)優(yōu)化模型，導(dǎo)入特定數(shù)學(xué)公式，準(zhǔn)確獲取位移靈敏度、應(yīng)力靈敏度、固有頻率靈敏度、特征值靈敏度等計(jì)算結(jié)果，為車輛結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)工作指明方向、提供參考數(shù)據(jù)。例如，在適當(dāng)上調(diào)車輛車門結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)頻率以及剛度的基礎(chǔ)上，將車門結(jié)構(gòu)自重量進(jìn)行適當(dāng)減輕，并不會(huì)對(duì)車輛結(jié)構(gòu)質(zhì)量、安全系數(shù)造成負(fù)面影響，可實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì)目的。

此外，在汽車結(jié)構(gòu)尺寸輕量化設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員既要考慮到特征值靈敏度、應(yīng)力靈敏度與線性靜力等問題，同時(shí)，重點(diǎn)考慮車輛在行駛過程中的碰撞安全性。在出現(xiàn)交通安全事故、車輛與安全防護(hù)設(shè)施或是其他障礙物、車輛相碰撞時(shí)，由于碰撞過程是一項(xiàng)非線性問題，設(shè)計(jì)人員難以準(zhǔn)確獲取車輛碰撞靈敏度等信息。針對(duì)于此，技術(shù)人員可選擇采取近似模型設(shè)計(jì)法、以此替代傳統(tǒng)的有限元模型，準(zhǔn)確計(jì)算車輛在碰撞時(shí)產(chǎn)生的線性荷載值，以此為主要設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.2.拓?fù)鋬?yōu)化

在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員將各類材料的空間分布情況為主要設(shè)計(jì)對(duì)象，導(dǎo)入特定算法，即可準(zhǔn)確計(jì)算車輛結(jié)構(gòu)的最佳傳力路徑。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，選擇適當(dāng)?shù)耐負(fù)鋬?yōu)化方式。例如，設(shè)計(jì)人員在采取變密度拓?fù)鋬?yōu)化法時(shí)，將設(shè)計(jì)變量視作為材料的彈性模量以及質(zhì)量之間保持關(guān)聯(lián)狀態(tài)而形成的一種變量因素，而不是將其視作為材料真實(shí)密度。以材料插值函數(shù)為主要?jiǎng)澐忠罁?jù)，針對(duì)性構(gòu)建各類材料的有理近似模型、微結(jié)構(gòu)懲罰模型，模型結(jié)構(gòu)將直觀顯示不同材料分布情況下的中間密度單元、生成拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。此外，這一拓?fù)鋬?yōu)化方法僅適用于中小型車輛，針對(duì)采取離散結(jié)構(gòu)的大客車等車型，設(shè)計(jì)人員采取基結(jié)構(gòu)法，對(duì)現(xiàn)有基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，即可獲取拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)據(jù)。

1.3.形狀優(yōu)化

在車輛結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，開展形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的核心目的是通過調(diào)整車輛整體與局部結(jié)構(gòu)，對(duì)車輛結(jié)構(gòu)受力情況加以改善，充分發(fā)揮各類材料的應(yīng)用效能與屬性。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)車輛幾何外形結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)方式。例如，當(dāng)車輛幾何外形結(jié)構(gòu)不規(guī)則時(shí)，采取無參形狀優(yōu)化法，對(duì)車輛的梁結(jié)構(gòu)截面、減重孔形狀等目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2、輕量化材料在汽車工程中的應(yīng)用

2.1.高強(qiáng)度鋼

隨著材料學(xué)的不斷發(fā)展完善，高強(qiáng)度鋼自問世伊始便在汽車制造行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減輕結(jié)構(gòu)重量有著重要意義。目前來看，高強(qiáng)度鋼主要分為先進(jìn)高強(qiáng)鋼以及普通高強(qiáng)鋼，不同類型鋼材的性能質(zhì)量有所不同。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，將車輛主體材料更換為高強(qiáng)度鋼時(shí)，可將車身質(zhì)量縮減至原重量的75%左右。以DP雙相鋼為例，這類鋼材由馬氏體以及鐵素體加以組成，其中，馬氏體含量在10%-15%區(qū)間范圍內(nèi)，其含量越大、則鋼體強(qiáng)度越高。同時(shí)，DP鋼還具有良好的抗疲勞性與伸長性能，被廣泛用于車身結(jié)構(gòu)中的前內(nèi)縱梁、前后保險(xiǎn)杠、中支柱里板等零部件與安全件。

2.2.塑料及復(fù)合材料

在我國汽車制造行業(yè)早期發(fā)展階段，塑料與纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝不成熟，材料性能質(zhì)量較差、制造成本較為高昂。而隨著材料學(xué)的不斷發(fā)展，以及生產(chǎn)工藝的優(yōu)化完善，塑料與復(fù)合材料已逐漸成為汽車車身結(jié)構(gòu)的主體材料，在滿足車身結(jié)構(gòu)性能質(zhì)量的同時(shí)，還可以大幅降低車身質(zhì)量。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，各類塑料與復(fù)合材料在車身結(jié)構(gòu)中的平均使用量已超過150kg，占據(jù)車身質(zhì)量的20%以上。例如，對(duì)聚丙烯、聚碳酸酯等材料被廣泛用于車身結(jié)構(gòu)中的腳踏板、遮陽板、護(hù)板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、后牽門等部件。而長纖維熱塑性復(fù)合材料則被用于車門結(jié)構(gòu)、保險(xiǎn)杠、儀表盤等部件。而在BMW I3款電動(dòng)車中，以碳纖維材料為車身底盤主體材料，實(shí)際質(zhì)量僅為傳統(tǒng)底盤的50%左右。

2.3.鋁合金與鎂合金

與傳統(tǒng)的鋼鐵材料相比，鎂合金材料具有極為優(yōu)異的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、耐腐蝕性、塑形等等。福田歐V客車公司近年來在所發(fā)行各款新能源客車中，選擇大規(guī)模使用鎂合金材料制作扶手管等部件，不但做到了對(duì)車身質(zhì)量的有效減輕，還大幅增強(qiáng)了扶手管等部件的性能質(zhì)量。鋁合金則具有加工難度低、質(zhì)量小等優(yōu)勢，是當(dāng)前汽車車身結(jié)構(gòu)的主體材料。根據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，鋁合金平均用量已達(dá)到180kg，占據(jù)整車質(zhì)量的20%以上，被廣泛用于制作發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、發(fā)動(dòng)機(jī)托架等零部件。

3、輕量化制造工藝在汽車工程中的應(yīng)用

3.1.激光焊接

激光焊接是一種全新的精密焊接工藝，以激光為主要熱源，這項(xiàng)技術(shù)具有工藝流程簡單、變形量小、熱輸入小等應(yīng)用優(yōu)勢，在汽車制造領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，已逐漸取代傳統(tǒng)的各項(xiàng)焊接工藝。例如，在變速箱齒輪焊接加工環(huán)節(jié)，對(duì)這項(xiàng)焊接工藝的應(yīng)用，既可以將焊接變形問題的出現(xiàn)率控制在較低程度內(nèi)，還可以簡化尺寸焊后熱處理工序環(huán)節(jié)，客觀上提高了齒輪焊接效率。

3.2.液壓成型

在汽車制造領(lǐng)域中，與沖壓工藝相比，液壓成型工藝具有加工成本低、車身質(zhì)量輕量化效果明顯、工藝流程簡單等優(yōu)勢，工作人員僅需將工件放置在模具中，操縱相應(yīng)設(shè)備對(duì)工件進(jìn)行液壓處理，工件受到壓力將出現(xiàn)塑形變形現(xiàn)象，加工成特定造型結(jié)構(gòu)的零部件。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，對(duì)液壓成型工藝的應(yīng)用，可將車身質(zhì)量縮減7.5%左右、零件加工成本縮減10%。

結(jié)語：綜上所述，為推動(dòng)汽車制造行業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，貫徹落實(shí)我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，各企業(yè)必須加強(qiáng)對(duì)輕量化技術(shù)的應(yīng)用力度，靈活運(yùn)用各項(xiàng)技術(shù)手段，深入挖掘技術(shù)潛在應(yīng)用價(jià)值，推動(dòng)汽車設(shè)計(jì)制造體系的輕量化、集成化與系統(tǒng)化發(fā)展。

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