汽车车身的轻量化设计探讨

新能源汽车轻量化钢制车身结构摘要未来钢制汽车计划（FSV）的目标是为紧凑型的电动汽车（BEV）提出一个能制造出完全不同的钢制车身结构的详细设计构思，也确认了为适应大的插电式混合动力车（PHEV）或燃料电池车（FCEV）车身结构的改变。

这篇文章将说明七个经过优化的车身的子部件是如何达到减重35%，同时满足安全要求和整个寿命周期内碳排放目标要求。

该文章也将对先进的设计优化过程和相应先进的钢材和制造技术概念进行解释。

前言“未来钢制汽车计划（FSV）”是世界汽车钢（WorldAutoSteel）项目，该组织为世界钢铁联盟下属的汽车钢组，共包含全球范围内17家大型钢铁生产企业。

“FSV计划”是一个涉及几百万欧元资金，为期三年的计划，旨在发展出安全、重量轻及采用先进高强钢制造的车身结构，该新型车身结构能够满足电动汽车的不同要求和减少汽车在整个寿命周期内的温室气体（GHG）排放。

GHG气体指的是大气中能够加剧地球温室效应的气体，这些气体能够吸收地球表面的热量，使热量在地球表面和大气层之间进行循环，导致地球表面的平均温度升高。

“FSV计划”将会阐明用先进高强钢来制造车身结构，减轻汽车重量和减少GHG气体排放。

本文说明了“FSV计划”中的相关的钢铁技术和设计构思，及第二阶段现已所获得的结果。

1.0 项目目标“FSV计划”中工程技术人员关注的焦点是提出一种新的全局性的开发设计方法，目标是开发出具有创新性的整车布置和优化的车身结构的先进汽车，该车将会使用一系列在2015年至2020年之间比较成熟的先进钢铁材料和制造技术。

“FSV计划”主要分为三个阶段：阶段1：工程研究（已完成）阶段2：构思与设计（至2010年）阶段3：展示和具体实施（至2011年）第一阶段主要是对将来适用于2015年至2020年之间的，先进汽车动力系统和适合批量生产的未来汽车技术进行综合性评价和验证，该阶段所获得的结果在另外一篇报告中有阐述。

图1-1 “FSV计划”的整个设计优化过程“FSV计划”已进行到第二阶段的中间阶段，优化设计采用先进高强钢制造的车身结构，主要涉及到4种不同的汽车，电动汽车（BEV）和插电式混合动力汽车（PHEV-20），属于A级/B级汽车；插电式混合动力汽车（PHEV-40）和燃料电池汽车（FCEV），属于C级/D 级汽车。

乘用车车身零部件轻量化设计典型案例随着环境保护意识的提高和汽车工业的快速发展，乘用车的车身零部件轻量化设计成为了汽车制造业的一个重要课题。

轻量化设计不仅可以降低车辆的整体重量，提高燃油经济性，还可以减少对环境的影响。

下面将介绍几个乘用车车身零部件轻量化设计的典型案例。

1. 利用高强度材料：使用高强度的材料可以在不增加重量的情况下提高零部件的强度和刚性。

例如，许多乘用车现在采用了高强度钢材来替代传统的钢材。

高强度钢材可以提供相同强度的零部件，但重量更轻。

此外，还有一些先进的复合材料，如碳纤维增强塑料（CFRP）和铝合金等，也被广泛应用于车身零部件的制造中。

2. 结构优化设计：通过采用结构优化设计方法，可以将零部件的结构进行优化，以减少不必要的材料使用，从而降低整体重量。

例如，在车身的设计过程中，可以使用拓扑优化方法来确定最佳的结构形状，以最小化材料的使用量。

3. 部分集成设计：通过将不同的零部件进行部分集成设计，可以减少连接部件的数量，降低整体重量。

例如，一些车辆现在采用了一体成型的车顶和车身侧板设计，通过减少连接接口，可以减轻车身重量。

4. 利用轻量化技术：现代乘用车越来越多地采用一些先进的轻量化技术来设计车身零部件。

例如，采用铝合金替代传统的钢材可以显著减轻车身重量。

此外，还有一些其他的轻量化技术，如混合材料结构、可变厚度设计和3D打印等，也被广泛应用于乘用车的车身零部件设计中。

总之，乘用车车身零部件轻量化设计是当前汽车制造业的一个重要课题。

通过使用高强度材料、结构优化设计、部分集成设计和轻量化技术等方法，可以实现乘用车的轻量化，降低车辆油耗，减少对环境的影响。

这些典型案例的应用不仅可以提高汽车的性能和节能性，还可以为未来的汽车制造业发展提供借鉴和启示。

汽车车身结构优化设计随着汽车行业的持续发展，汽车设计和制造技术的日益成熟，如何实现汽车车身结构的优化设计成为一个重要的研究方向。

汽车车身结构对车辆的性能、安全和舒适度有着决定性的影响。

本文将从汽车车身结构设计的需求和方法，汽车车身结构材料选择和应用，以及汽车车身结构优化设计的案例研究进行分析和论述。

一、汽车车身结构设计的需求和方法在汽车设计中，汽车车身结构是一个重要的方面，它决定了汽车的稳定性、轻量化和节能性能。

汽车车身结构设计需求主要包括以下几个方面：1. 结构稳定性：汽车车身结构设计应考虑各种行驶情况下的稳定性和安全性。

2. 轻量化：轻量化是一个常见的汽车车身结构设计目标。

轻量化能有效地降低车辆的燃油消耗和环境污染，提高汽车的能源利用率。

3. 舒适性：汽车车身结构应该考虑到驾驶员和乘客的舒适度，并能减少噪音和震动。

在汽车车身结构设计中，一些方法和工具可以用于优化设计，例如CAE、拓扑优化等。

CAE（计算机辅助工程）技术能够通过数字仿真，快速计算车身结构下的各种工况下的应力分布，以便进行优化设计。

拓扑优化则是一种基于数学模型和算法的方法，它可以自动生成最优的车身结构模型，以便实现轻量化和优化性能的目标。

二、汽车车身结构材料选择和应用汽车车身结构材料是决定其性能和质量的关键因素之一。

环保节能是当前材料选择要考虑的主要因素。

1. 钢材和铝材：钢材和铝材是目前汽车车身结构中使用最广泛的材料。

高强度钢材和铝材能够有效地压缩车身的重量，并保证强度。

2. 轻质材料：在轻量化方面，汽车车身结构中不锈钢、镁合金等轻质材料也被用于汽车车身结构中。

由于这些材料有着很好的强度和耐腐蚀性能，底盘和车身的质量能够得到减轻。

3. 复合材料：由于汽车车身结构要求同时满足强度和轻量化的目的，因此复合材料正在成为汽车车身结构中的新兴材料。

这些材料由于其良好的强度和轻重量，能够实现汽车车身的更好的强度和轻量化。

三、汽车车身结构优化设计的案例研究在实际汽车车身结构设计中，优化设计的应用已经产生了很好的效果，在汽车轻量化和节能方面都取得了一定的成果。

基于轻量化的汽车零部件设计研究1 汽车轻量化技术汽车轻量化是以保证汽车具有原本的强度与性能为基础，再减轻汽车各零部件的质量，那么汽车的动力性将会有一定的提高。

因此从以下方面提出改变方案：①从使用材料的质量入手，在保证汽车原有各种参数的基础上，尽量地减轻质量；②使用新材料代替，比如铝合金等密度尽量小的材料；③对各种零部件的构架进行一个整体的分析，寻找一种新的加强方法；④采用承载式车身可以取消车架的使用，从而大大减轻质量。

2 轻量化在底盘零件上的应用底盘零件的构造组成主要是有四部分，分别是制动系、装相系、行驶系统和制动系统。

行驶系的功用是支持整车质量并且保证汽车平稳运行；为了保证汽车平稳转向，设置了转向系；传动系是由离合器、变速器、万向节等组成的，离合器可以保证汽车的换挡、起步等平稳实现，变速器可以用于汽车的变速；制动系的主要作用就是使运动中的汽车实现减速或是停车，使下坡的汽车保持稳速下行，保证已经停止的汽车不产生运动。

2.1 副车架的轻量化副车架是车桥的组成部分，由于它将车桥、悬挂与正车架连起来，所以就被称为副车架。

副车架的成型方式是热轧钢板冲压焊接成型，但这是传统的加工方式。

为了减轻副车架的质量，先是改变了成型技术。

采用了液压成型方式，用低合金高强度钢焊接钢管，再利用液体介质进行传力。

通过这种方式生产出的副车架的减震效果与原先的冲压成型并无太大差异，但实现了车架的轻量化，减少了零件数，也省去了一部分的焊接与装配工序，降低了生产成本。

液压成型的副车架如图1所示。

图1 液压成型的副车架成型方式改变之后，再在材料上寻求了改变，在轻量化中，铝合金的使用是非常受欢迎的，因为它具有密度小、成型性好的特点。

目前铝合金副车架成型工艺基本都已能成熟地应用于汽车生产中，且轻量化效果能够达到将近40%。

不同车型应用的成型工艺和材料如表1所示。

表1 不同车型应用的成型工艺和材料2.2 后纵臂的轻量化后纵臂在汽车底盘零件中经常被用到，作为底盘的重要零件，它在汽车行驶中起到非常重要的作用。

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。

基于多目标优化的白车身结构轻量化设计作者：王康曹永晟贺启才赵国栋来源：《时代汽车》2023年第22期摘要：白車身轻量化研究有利于提高整车性能和减少研发成本，首先建立了某乘用车白车身的有限元模型，接着根据仿真模型分别计算出与NVH、静刚度及正面碰撞安全性能相关的参数，模型各项指标均满足要求。

其次，依据综合灵敏度分析思路筛出与碰撞安全无关的设计变量，并且参照能量吸收曲线图选出正面碰撞安全板件的设计变量。

针对白车身非碰撞安全相关板件的轻量化设计，根据试验设计方法设计出样本点，对比各类近似模型的精度，采用了椭圆基近似模型，将白车身质量最小、低阶模态最大作为设计目标，把白车身的静态扭转刚度以及静态弯曲刚度作为设计的约束条件，并采用遗传算法对非碰撞安全板件进行多目标优化。

针对白车身正面碰撞安全相关板件的轻量化设计，根据试验设计方法设计出样本点，对比各种近似模型的精度，采用了响应面模型，将白车身质量最小、乘员舱加速度峰值最小作为设计目标，将一阶弯曲和一阶扭转模态频率、静态弯曲扭转刚度作为设计的约束条件，并采用遗传算法对碰撞安全板件进行多目标优化。

最后，对轻量化前后的性能参数进行比较分析，实现了白车身质量降低13.4kg，降幅3.32%，轻量化系数减小了1，不仅保证了静态弯曲刚度和扭转刚度、白车身的模态频率各项指标基本不变，并且提高了白车身正面碰撞性能。

结果表明基于多目标优化的白车身结构轻量化设计的减重效果较好，对车身的轻量化设计具有一定的参考意义与指导价值。

关键词：白车身灵敏度分析试验设计近似模型多目标优化轻量化1 引言随着新时代的发展，世界汽车保有量不断增加，国家对汽车的安全性能和排放指标也越来越严格。

车辆正朝着安全舒适、持续发展、电动智能的方向发展，白车身轻量化可以对汽车工业所遇到的绿色环保、主被动安全性和能耗等问题的解决有所帮助，白车身是集汽车造型以及性能为一体的关键子系统，汽车轻量化方案的选择中，白车身结构的轻量化备受学术研究者与各大车企的关注。

车用材料的轻量化设计与应用在当今的汽车工业中，轻量化设计已成为一项至关重要的发展趋势。

随着环保要求的日益严格以及消费者对燃油经济性和性能的更高期望，车用材料的轻量化成为了汽车制造商们竞相追逐的目标。

本文将深入探讨车用材料轻量化设计的重要性、常用的轻量化材料以及它们的应用。

一、车用材料轻量化设计的重要性1、燃油经济性的提升汽车的重量直接影响其燃油消耗。

较轻的车身意味着发动机需要更少的能量来推动车辆前进，从而显著提高燃油效率。

据研究，车辆每减重 10%，燃油经济性可提高 6%至 8%。

这对于降低车主的使用成本和减少对环境的污染都具有重要意义。

2、性能的优化轻量化设计不仅有助于提高燃油经济性，还能改善车辆的加速、制动和操控性能。

较轻的车身能够减少惯性，使车辆在加速时更加敏捷，制动时更容易停下来，同时在弯道中也能更灵活地转向，为驾驶者带来更出色的驾驶体验。

3、降低排放随着全球对环境保护的关注度不断提高，汽车尾气排放成为了一个重要的问题。

轻量化设计可以减少车辆的燃油消耗，从而降低二氧化碳等有害气体的排放，有助于缓解气候变化和改善空气质量。

二、常用的轻量化材料1、铝合金铝合金是目前汽车轻量化中应用最为广泛的材料之一。

它具有良好的强度和耐腐蚀性，密度约为钢的三分之一。

铝合金常用于制造汽车的车身结构件，如车架、车门、引擎盖等，能够有效减轻车身重量。

2、镁合金镁合金是一种比铝合金更轻的金属材料，密度仅为钢的四分之一。

然而，由于其成本较高且加工难度较大，目前在汽车上的应用相对较少。

但在一些高端车型和高性能汽车中，镁合金被用于制造座椅框架、仪表盘支架等部件，以实现更极致的轻量化效果。

3、高强度钢高强度钢通过特殊的加工工艺和化学成分调整，在保持较高强度的同时减轻了重量。

与传统钢材相比，高强度钢能够在不增加厚度的情况下提供更好的结构强度，从而在保证安全的前提下实现车身轻量化。

4、碳纤维复合材料碳纤维复合材料具有极高的强度和极低的密度，是一种理想的轻量化材料。