汽车轻量化与有限元分析

摘 要：研究资料表明，汽车的燃油消耗与汽车的自身质量成正比，汽车质量每减轻1%，燃油消耗率降低0.6%-1%。客车车身骨架占整个客车质量大约三分之一，所以，客车车身骨架的轻量化对整个客车的轻量化具有很大的意义。

关键词：城市客车；轻量化；有限元分析；优化设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.198

汽车排放已成为我国大城市空气污染的主要来源。汽车直接排放的颗粒物，以及排放的氮氧化物和碳氢化合物反应形成的二次颗粒物，均是环境空气中PM2.5的组成部分。随着汽车保有量的上升，机动车各类污染物排放分担率每年上升1至2个百分点。

国际各大汽车生产商都投入大量的科研经费来寻求车身轻量化设计的有效措施，车身轻量化已成为汽车发展行业中的一项关键性研究课题。然而，我国很多中小型客车企业常常采用传统的方法进行客车车身骨架的设计，比如采用经验或者类比的方法，，可是这些方法缺乏建立在力学特性如强度、刚度等分析基础上的依据，使材料得不到充分利用。

1 轻量化

1.1 轻量化与环保

随着汽车保有量的迅速增加，汽车在带给人们方便和快捷的同时，也带来了许多负面的影响，如交通事故、噪声和有害气体排放等。其中汽车尾气是一种流动分散污染源，在建筑物比较密集的居民集居地和繁华地带，不能得到及时的稀释和扩散，另外，由于汽车尾气的排放高度在地面附近，正处在人的呼吸区域，因此人类生活空间及呼吸层会受到严重污染。为了减少汽车排放对环境的污染。

无论是从国家政策还是从企业对环境与社会的责任方面考虑，汽车工业要想发展就必须想办法解决汽车尾气问题。降低排放有多种途径，但是最根本的方法是釜底抽薪，即减少石油的石油，汽车轻量化可以达到降低油耗的目的，可以有效地减少排放量。并且，汽车质量轻了，便减少了对道路的冲击载荷，缓解对道路的破坏。

1.2 轻量化与整车性能

近年来随着人民生活水平的提高，汽车越来越高档次，为提高舒适性，许多客车已经安装了空调、车载电视等，使客车质量增大，导致客车的碰撞惯性增加、重心高度提高和油耗增加等。客车轻量化与整车性能改善的关系主要体现在以下两点：第一，轻量化可以提高客车的比功率，在客车发动机输出功率不变的情况下，降低客车的整车质量，必将增加单位质量的输出功率，从而使客车的后备功率和加速能力得到提高；第二，轻量化可以改善汽车的操纵稳定性，客车的质心高度降低，行驶更加舒适，汽车的抗侧倾能力也将得到提高[1]。

2 有限元分析

2.1 有限元概述

有限元法又称为有限单元法，是结构工程师和应用数学研究人员共同智慧的结晶。有限元法是将物体即连续的求解域离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化成离散的有限自由度问题。

20世纪40年代有限元法起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析，其基本思想和原理是“简单”又“朴素的”。发展初期，许多学术权威都不承认这种方法的学术价值，国际著名刊物Journal of Applied Mechanics 许多年来都拒绝刊登关于有限元的任何文章，认为其没有新的科学实质，然而经历了几十年的发展，有限元法研究范围已经由杆件问题扩展到弹性力学乃至塑性力学问题，由平面问题扩展到空间问题，由静力学扩展到动力学，由固体力学扩展到流体力学、热力学和电磁学。目前，CAE技术作为有限元法的代表，已被广泛运用到现代汽车设计的过程中。

2.2 有限元方法的一般过程

有限元分析是模拟物理现象，近似真是情况的数值，将分析对象划分网格并且求解通过求解有限个数值来近似模拟真实环境地未知量。其分析过程包含了建立模型、加载求解、查看分析结果三个主要过程。

（1）建立模型：根据实际情况建立有限元分析的计算模型。其中心任务是离散即划分网格，其它相关工作包括创建或读入几何模型、材料属性定义、单元质量检查、单元特性定义、编号顺序优化以及模型边界条件模拟等。

（2）加载计算：完成与有限元方法有关的数值计算。包括选择分析类型并设置分析选项、施加载荷、设定约束条件、执行求解。计算分析往往需要计算机具备足够的内存，并且需要耗费大量时间。

（3）查看分析结果：有限元计算得出的结果必须经过合理的处理，结果打印或显示出来，分析计算结果，评估结构性能及结构设计的合理性，为结构的改进和优化提供数据支持。

整个分析过程的关键是有限元模型的建立，所有实际结构的原始数据都通过有限元模型表现出来，模型的质量直接影响计算结果的精度；有限元模型既能保证计算结果的精度，又不会对计算量和计算机存贮容量有太高的要求。

3 轻量化研究的基本方法

目前汽车轻量化一般有三种途径，第一是利用轻质材料进行材料轻量化；第二是利用革新制造工艺实现轻量化；第三是从结构入手，进行合理的结构优化设计进行轻量化。

3.1 材料轻量化

世界汽车用材研究表明，轻质材料是汽车轻量化的重要部分。汽车材料选择的好，一定程度下可以提升汽车设计、品质及竞争力，直接影响了汽车技术的发展。目前有两大类轻量化材料在汽车上应用较多，一类是高强度材料；另一类是低密度的轻质材料，如铝合金、镁合金、塑料和复合材料等。

虽然汽车新材料可以在很多方面起到降低汽车自重的作用，但是由于部分新材料价格较贵，且各种应用于车身的轻质材料都存在着不同于目前普通低碳钢的成型工艺问题，所以在汽车上的应用还不是很广泛，目前主要集中在轿车上，而在大客车领域则较少应用。

3.2 新制造工艺

在利用结构优化设计和轻型材料进行汽车轻量化的同时，常需要革新制造工艺，从而进一步减少质量，降低成本。革新制造工艺进行轻量化的研究主要集中在以下三个方面：

（1）轻型结构件的创新制造工艺：主要有管件液压胀形新工艺和塑料中空成型工艺。德国大众汽车公司成功开发出铝合金液压胀形的B5缸BMW汽车的后桥，减重效果明显。美国福特公司在Mondco轿车上采用液压成形技术制造的发动机支架，与传统的加工技术相比，零件个数减少了5个，制造工序减少了29道，构件质量减少了6kg，成本减少了10英镑[2]。在采用塑料中空成型工艺这上面最成功的例子就是用聚乙烯塑料中空成型轿车的燃油箱，在我国已经成功地用在捷达轿车上。另外，用轻金属基复合材料制造壳体类零件和功能零件的压铸与冷锻工艺业已取得了突破，达到了产业化程度。

（2）轻型结构件新的优化连接工艺：将内高压成型的管件，按优化的尺寸加工好端面并清洗后，采用激光焊接将构件连接成轻型结构件，有的还可采用超塑性扩散连接新工艺[3]。

（3）产品开发中的集成创新工艺：对于汽车的某个总成件如车身或驱动桥都应贯彻采用轻型结构的原则。此时的最佳产品设计是将选择材料、确定核心工艺等综合起来考虑。即在产品结构设计阶段，事先就把新选定的材料与减少质量的工艺集成到设计中去，这样不仅可以缩短制造过程工艺链，还能显著减小质量并降低生产成本。这种方法最成功的典范就是整体无缝式汽车驱动桥壳与轿车副车架的设计。

3.3 结构优化设计

汽车结构优化通过一些现代化的优化软件，比如Ansys，对汽车的整体结构进行优化，既满足了强度、刚度等各项性能要求，又去除了冗余材料，使车身部件中空化、薄壁化、小型化和精简化，从而在根本上减轻整车质量。目前，可用于客车车身结构轻量化的研究方法主要有拓扑优化、形状优化和尺寸优化，需要依据具体的设计要求、设计目的和设计约束限制加以选择。

拓扑优化的原理是依赖于有限元方法，找到结构刚度在设计空间最佳的分布形式，或者在设计域空间找到结构最好的传力路线，从而优化结构的某些性能或者减轻重量。

形状优化主要关注结构的具体形状，包括整体形状和零部件形状，设计变量一般选择控制结构形状的边界节点的几何信息或者可以描述结构边界的基函数，工程中常选用B- Spline，NURBS曲线或者曲面中可以自由变化的参数。连续体结构形状优化，使用适当的曲线、曲面方程或是一组基函数加上自由参数来描述结构边界形状，其设计变量为这些自由参数，运用数值法和解析法进行计算，或者先用解析法将所要优化的问题公式化，再用数值法进行搜索寻优。

尺寸优化是在不改变现有结构布局和拓扑关系的情况下进行的优化。将单元属性如梁单元的横截面积、壳单元的厚度、质量单元的质量和弹簧单元的刚度等作为设计变量；质量或体积最小作为目标函数。尺寸优化不仅可以确定拓扑优化后的结构构件的尺寸，最重要的是可以对现有的结构进行轻量化设计，在满足技术要求的前提下，选择最优的尺寸参数降低结构重量；在利用有限元方法时，不需要改变结构的有限元模型就可以进行优化计算，故已广泛使用于汽车的轻量化研究项目中。

总之，汽车车身轻量化是一项有利于设计理论、工程设计、工程制造、实践验证的重要手段，必将有一段努力的探索过程。经过努力，汽车必然是清洁、强大、轻量的代步工具，必然引导新一代的潮流。

参考文献：

[1]张屹林，王洪民，王海涛等.汽车轻量化与铝合金[J].内燃机配件，2004（05）：37-40.

[2]牟伟杰.电源车车厢结构分析及轻量化研究[D].兰州理工大学，2011.

[3]韩英淳，于多年，赵静宜等.汽车轻量化的设计与制造新工艺[J].汽车工艺与材料，2003（05）：6-8.

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