面向汽车轻量化设计的关键技术研究
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面向汽车轻量化设计的关键技术研究
摘要：经济的发展也带来了资源匮乏等问题，如何实现经济发展、环境保护以及资源节约之间的平衡成为关注的焦点。在内需驱动下，实现碳中和，进行产业结构调整和能源转型势在必行。在此次研究中主要对汽车设计的关键技术、轻量化焊接工艺、设计保障等进行了研究，以达到提高汽车的整体质量和使用效果，为汽车轻量化设计提供帮助。同时，也希望本文的分析能为探索轻量化发展的同行提供参考经验。
关键词：汽车、轻量化、焊接工艺
引言
当前随着汽车工业的持续发展，很多新技术开始应用到了车辆设计以及生产领域中，轻量化设计成为必然的发展趋势，更是推动汽车工业实现节能减排的重要手段。在轻量化设计方面总体可以划分为工艺、材料以及结构轻量化三个方面，为了实现轻量化的目标，必须在材料以及结构上进行更多的研究，致力于对关键技术进行突破。在汽车以及航天等领域中广泛使用了基于塑性以及断裂等方式吸收或者或耗散碰撞能量的材料，此类材料显示出广阔的应用前景。
1汽车轻量化工艺简介
汽车轻量化主要是通过降低车身整体质量来提高动态性能，在保证汽车安全性的同时降低对于外部环境的不利影响，节约资源，减少污染。当前针对轻量化的研究非常多，形成了不同类型的材料，常用的主要划分为金属、非金属材料两大类，前者一般指的是铝合金以及其他的金属材料；后者则以塑料等材料为主。如何实现轻量化，提高整车质量和性价比，是车企的关键指标之一，随着新材料、新技术、新工艺的推广，将会有更多新型轻量化材料应用于整车生产。大量的车企重视在此领域的研究，将这些新材料以及新工艺逐步能够到了车辆生产中，改善了车辆的安全性，降低了重量，取得了一定的突破。近年来，广泛使用的典型轻量化连接工艺主要包括以下几个方面。自冲铆接：该技术实际上属于一种冷连接技术，具备了较高的适用性，可以实现多种材料的连接，包括金属和非金属材料。该板被致动器刺穿，首先穿过上部，然后穿过下部。下板成功穿透后，铆钉的尾部会继续向外延伸，从而获得更稳定的接头。在此过程中，模侧连接件形成特殊的铆钉墩头，下板有剩余板厚，因此连接结构更可靠。自冲铆接的过程可分为定位、预紧、冲孔、冲压、变形和固定六个阶段。自冲铆接技术由于具有适应性好、成型快、易加工等优点，得到了飞速的发展。正是由于具备了上述优势，广泛应用于难以焊接的板件连接，对实现轻量化生产具有重要意义。热熔钻：热熔钻螺纹接头技术，该技术弥补了传统钻孔紧固技术的不足，可用于单面施工，易于连接在钣金与挤压型材型腔，作为一种创新性的加工技术而引发了较多的关注。
2车身轻量化技术路径
2.1车身轻量化发展趋势
车身轻量化指的是将各种类型的轻质材料应用到车身设计中，例如最初采用了钢质车身，后来逐步发展为全铝、混合车身等。机体系统一般可以划分为五个不同的物质等级。很多企业以及研究者针对车身轻量化进行了大量的研究，推出了一些新的产品和技术，例如铝镁合金以及高强钢等开始应用到了车辆中，材料的强度等性能指标不断提高，使用的成本保持了降低的趋势，能够为车内人员提供更安全舒适的服务。其中福特野马（电动）车型中广泛使用了新型材料，热成型比例为24.9%，另外还有超高强度钢材料。在马自达MX-30BEV车型中也使用了大量的此类材料，超高强度钢占用的比例达到了19.5%。结合当前的发展现状可知，不同车企在车身材料使用上存在一定的差异性，其中日系车主要使用了超高强钢，欧美车系则以热成型为主，这些材料的使用在满足车身稳定性、轻量化设计要求的同时也减小了成本，相对于其他的材料显示出优势。由于铝合金材料的成本较高，当前主要应用到了一些高端车型中，例如在蔚来ES6、捷豹I-Pace中应用的铝合金材料占比超过了80%，特别是ES6座梁等多个部位使用了7075T6铝合金，使得车辆的碰撞性能得到明显改善，在满足轻量化设计要求的同时也提升了车辆行驶的安全性。
2.2车身轻量化结构设计 在仿真模拟技术不断发展的过程中已经开始应用到了车辆轻量化设计中，形成了不同的结构优化方法，常用的有截面优化、联合优化等，各个方法的原理以及适用性是不同的。近年来，研究者开始关注SFE等多学科设计的应用，也取得了诸多实用性的成果，这些新技术逐步应用到了轻量化结构优化设计中，有效地降低了车辆重量，强度等性能得到改善，成本有所降低。在车身结构优化设计中采用了正面碰撞、扭转刚度等输入边界要求，由此可以实现结构以及性能的均衡发展。在部分车型设计中已经成功采用了此类新技术，在福特探索者车型设计中采用了拓扑优化等技术，建立了开放的柔性车身平台，可用于燃油以及电动汽车制造中。电动野马采用了“Y”形支撑设计方式，显著提升了后部阻尼刚度、扭转模态频率，前者增幅达到了6%，后者增幅为0.4Hz。除了先前所述的结构优化设计方法之外，在细节优化中也使用了截面优化。针对关键结构横截面进行优化可以提升结构的强度，改善了碰撞性能。本田 E为了提高冲击能量吸收和弯曲刚度，针对后导轨横截面进行优化，同时采用稳定杆等进一步提升了车辆整体的强度。在丰田雅力士车型中也采用了类似的设计方式，设计为环形结构，同时原有的设计左右后轮罩共同加强横梁，增强车身整体刚度，从而降低车身轻量化系数。
3保障汽车实现轻量化的措施
3.1借助轻量化工艺
随着车辆轻量化设计趋势的发展，越来越多的新技术应用到了轻量化设计中，在设计工艺以及方法上不断创新，促进了整个汽车产业的现代化发展。在零部件设计过程中采用结构优化设计方法可以满足轻量化的设计要求，但是在使用老工艺进行生产时，已经不能满足国家的发展需要，因此有必要使用新的制造技术。而在用新材料设计零件时，由于零件本身需要特殊的制造和焊接方式，才能够满足轻量化设计的要求。在这种趋势下，有必要对汽车轻量化设计技术继续开展研究，结合仿真模拟以及CAD/CAE/CAM等技术来进行分析和设计，在结构以及材料应用上进行创新，促进车辆轻量化设计目标的实现，提高车辆总体性能。
3.2以优化汽车结构的方式去实现 汽车结构优化总体可以划分为两个方面的内容，首先是车身结构优化，即对车身整体框架结构进行研究和优化；其次是对各个零部件进行优化，在车身以及零部件之间进行有机组合的基础上来满足车辆轻量化设计的要求。在结构优化上可以进一步分为外形以及尺寸 ，前者用于对车身以及零件重量等优化；后者主要低对设计截面以及零件厚度进行优化。目前各个汽车制造企业开始更多的关注结构优化，并积极参与到了相关的研究中，持续加大在资金以及人力等方面的投入，因为通常情况下，轻质材料的应用需要较长的开发周期和较高的开发成本。
结束语
随着汽车行业的发展，轻量化设计成为必然的趋势，相关的研究持续增多，在结构以及外形设计方面均获得了丰硕的成果。然而在一些关键技术上仍然存在不足，有待于后续继续进行攻关，保证设计成果，改善车辆综合性能，为消费者提供安全性更高，价格更低的汽车产品，满足人民群众的需要，也为我国社会主义现代化发展目标的实现提供支持。
参考文献
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