汽车轻量化解决专项方案全铝车身结构设计.docx

汽车轻量化处理方案—全铝车身结构设计
           伍成祁
摘要： 处理汽车节能环境保护问题，有提升传统燃油发动机能效、发展新能汽车、应用轻量化技术三个方向。比较以上三种技术路线，在当今发动机技术提升难度日益加大、动力电池效率不高背景下，不管对传统燃油汽车，还是新能源汽车，汽车轻量化技术全部是一项共性基础技术。大力发展并推进汽车轻量化技术，成为节能、减排主导之一。而实现汽车轻量化技术又有三个技术路径：一个“轻量化材料”要经过一个“轻量化工艺”来实现一个“轻量化结构”。
关键词：汽车轻量化 全铝车身  型材截面优化Stiffness Mass Efficient

因为世界能源随时枯竭和环境日益恶化，世界各行各业全部主动行动起来，依据政府优惠政策和民众强烈要求，在节能、环境保护方面进行了高投入研发其高效节能、主动环境保护产品。汽车产业首当其冲，其汽车零部件制造，迁联到能源、钢材、铝材、合金、塑料、橡胶、玻璃、化工、机械、电器、信息等各行各业，对汽车节能环境保护要求，就是对其它相关行业要求。对汽车进行轻量化结构研究，要联络相关行业专业知识，进行综合性研究。
一、汽车轻量化目标
就汽车产业而言，依据汽车产品特点，降低油耗或提升燃油效率、降低或清洁排放对环境污染，是节能环境保护研发关键目标。从全球汽车产业来看，处理汽车节能环境保护问题关键采取以下三种方法：
一是大力发展优异发动机技术，经过对传统发动机改良和一系列汽车电子技术应用，来提升燃烧效率，改善燃油经济性。
二是大力发展新能源汽车，经过研发优异新型发动机技术和推广使用气体燃料、生物质燃料、煤基燃料、高效电池等动力替换传统能源来降低汽车燃油消耗和对石油资源依靠。
三是大力发展汽车轻量化技术，在保障汽车安全性和其它基础性能前提下，经过减轻汽车本身重量降低能耗来实现节能减排目标。
比较以上三种技术路线，在当今发动机技术提升难度日益加大、动力电池效率不高背景下，不管对传统燃油汽车，还是新能源汽车，汽车轻量化技术全部是一项共性基础技术。大力发展并推进汽车轻量化技术，成为节能、减排主导之一。
汽车轻量化，英文名：Lightweight of Automobile，涵义是“在确保汽车强度和安全性能前提下，尽可能地降低汽车整备质量，从而提升汽车动力性，降低燃料消耗，降低排气污染。”
世界节能和环境协会研究汇报指出：汽车自重每降低10％，燃油消耗可降低6％—8％，排放降低5%—6%。而燃油消耗每降低1升，CO2排放量降低2.45kg。燃油消耗量降低不仅有利于节省能源，也可有效降低污染物排放。目前，因为节能和环境保护需要，汽车轻量化已经成为世界汽车发展时尚。
伴伴随技术进步，制造汽车车身材料已经不仅仅是钢铁了，越来越多新材料被应用到车身制作中。其中包含：玻璃钢、铝合金、碳纤维、塑料、高分子复合材料等等。这些相对于钢铁比关键低得多轻质材料，为实现汽车轻量化成为了工程师们考量选材。
二、汽车轻量化实施
在实现汽车轻量化设计时，首先必需要确保其整体汽车结构达成国家汽车安全标准，其次确保其使用性能达成或超越传统钢制车身要求。汽车轻量化设计和整车安全性是一对矛盾体，假如为了满足多种法规要求，保障乘员安全，就应提升车身结构抗弯强度、抗扭强度、侧翻强度、碰撞吸能等特征；假如为了汽车燃油经济性、降低排放等原因考虑就应减轻车身质量。所以汽车车身轻量化是在确保汽车整体性能不受影响、确保车身强度、刚度和模态等结构特征要求前提下，来减轻车身质量一个设计趋向。所以要求汽车轻量化设计要充足地从材料分析、结构力学、生产工艺、人体工程、工业设计、交通运输、经济效益等众多各不相同学科紧密地联络在一起进行综合性研究开发。
汽车车身轻量化实现，关键包含轻量化材料使用和轻量化结构设计，和轻量化制造工艺这三个方面。前者是车身轻量化主流，即采取轻量化金属和非金属材料，关键是采取高强度钢材、铝镁合金、工程塑料、碳纤维、新型玻璃、陶瓷和多种复合材料；后者是利用 “以结构换强度”结构优化设计和有限元分析等方法，经过改善汽车结构，使部件薄壁化、中空化、小型化、模块化及复合化等以减小车身骨架、车身蒙皮等零部件质量来达成轻量化目标。实际上二者是紧密相连，往往采取轻量化材料结合轻量化结构设计，在性能不降低前提下取得汽车车身轻量化。 不过，一个 轻量化材料结合轻量化结构设计方案，还需要一个优良制造工艺来确保其完善实施。也就是说一个轻量化材料要经过一个优良制造工艺来实现一个轻量化结构设计。所以，轻量化制造工艺显得尤其关键。
　　总而言之，汽车轻量化实施，还需要经过试制样车，进行试验，总结设计经验，对其轻量化设计结构进行优化和完善。汽车车身轻量化设计中结构优化包含：型材截面优化、连接工艺优化和结构拓扑优化。型材截面优化和连接工艺优化，依据材料特征、受力分析、制造工艺等实践经验进行设计优化。结构拓扑优化是在一定空间区域(骨架部件或结构整体)内寻求材料最合理分布一个优化方法。它目标是依据一定准则，在满足多种约束条件下，在结构上开孔、打洞，去除无须要构件和材料，使结构在要求意义上达成最优，表现为“用材最小、刚度最大”设计。因为拓扑优化设计自由度大，所以通常见于设计早期和概念设计阶段。 
三、车身轻量化结构设计     
车身轻量化设计，需要依据不一样材料选择适宜结构形式。下面是最常见多个车身形式，经过分析比较，选择不一样轻量化处理方法。   
1）、碳纤维车身结构：
碳纤维密度要比钢材低4倍左右，而强度和硬度全部是钢材两倍。即使它很坚韧，但有受力向度问题，即整体中一些部位不太能受力，依据其材料特点必将车身设计成一体式整体结构，这种结构设计能够营造极轻量车身重量，但同时会有较大发动机振荡传入车厢，其材料价格昂贵，手工张贴工艺效率低，报废期后碳纤维无法回收利用。关键用于批量少高端乘用车上。如兰博基尼、法拉利等车上。
2)、玻璃钢车身结构：
玻璃钢材料和碳纤维一样，呈纤维布形状，其制作工艺大全部采取手工张贴制作工艺，它集合了碳纤维全部缺点，车身结构只能设计成一体式整体结构，因为其强度远低于碳纤维，通常只用汽车零部件、外蒙皮等附件上。大客车前后围蒙皮常见玻璃钢来制作，是因为客车产量少，蒙皮面积又大，不宜开模，只能适应玻璃钢手工工艺。
3)、铝管式车身结构。
利用铝材可挤压成型材特点，事先挤压成多种所需截面型材，这类车身结构特点大全部是“骨架加蒙皮”（板梁式）形式存在，如以奥迪R8全铝车身为例，它们ASF车身结构在外型上基础是一体式铝制蒙皮结构，铝型材骨架本身已经勾勒了车身线条，和一体式车身稍有不一样是少了部分一体压制车身内板件，取而代之是增加大量铝型材结构分布。依据奥迪公布数据，使用全铝车身ASFR8比使用传统一体式钢制车架车辆能减轻高达40%车架重量，和此同时整体车架刚度也有40%增加。

而湖南南车时代设计高铁全铝车身却采取了骨架和蒙皮结合于一体铝型材结构（型材式），其强度可佳，但其重量和钢结构一样重。

湖南晟通集团汽车工程研究院研制全铝车身12m公交车，采取了 “板梁式”和“型材式”相结合结构形式，在达成和钢制车身一样强度前提下，其车身质量降低了50%，整备质量降低30%，满载质量降低了20%，其节能效果显著，达成了中国外优异技术水平。

4)、铝板式车身结构：
铝板式车身结构和传统钢板式车身结构是一样，板材经过液压成形多种内外板，然后将内外板结合在一起，钢板车身是焊接，而铝板车身则是经过一个环氧树脂将铝制内外板刚硬地结合起来，坚固度高得出奇，经过撞击试验，而扭曲车身没有一处结合环氧树脂地方崩断。另外还能够避免以焊接方法连接铝件，能够用上薄一点铝材，深入降低车架重量。其缺点是铝压延性太差，液压成形工艺复杂，成本高。
如全新（款）第四代揽胜全铝车身就是采取了此种结构技术和连接方法。

总而言之，经过以往使用经验和综合条件分析，采取铝制“骨架+蒙皮”车身结构设计，再配合型材截面优化、连接工艺优化和结构拓扑优化，是现在实现汽车轻量化设计最好处理方案。
四、骨架和蒙皮成形工艺  
    以下再探讨一下相关全铝车身骨架和蒙皮制作工艺。
1)、车身骨架成形工艺
车身骨架由铝合金材料经过挤压模挤压出多种断面闭口或开口长条形结构型材（是钢材无法办到），可依据需要锯切任意长度。这种铝型材还要依据车身结构需要进行变截面变形加工，达成车身结构形状要求。于是一个“型材液压成形”技术应声而生。
型材液压成形技术应用关键为底盘大梁、车身结构、各系统零部件骨架变形加工，因其含有高刚性、尺寸精度和稳定性高、较为耐蚀、工件数少、制作过程简化、成本降低等优点，该技术在汽车制造业广泛应用。此技术确保了零部件正确尺寸和形状，在充足利用空间、赢得更多轴力度和硬度同时，减轻了重量。因为型材液压成形技术不仅简化了模具结构，还降低了模具副数，改善了材料严重变薄情况，提升了产品质量，大幅度降低了生产成本，所以型材液压成形零部件需求快速增加。北美生产经典车型中将有50%结构体零件采取型材液压成形技术制造。   
 以型材液压成形技术制造结构件车型，经碰撞测试结果，其安全性比传统“板材冲压”制造结构件要好，同时整车质量有了大幅度降低。所以在北美、欧洲制造轿车、客车、高铁中，空心轻体铝型材构件在轿车总量百分比已以前10%上升到20%，而在货车、客车、专用汽车、越野吉普车等百分比已达成70%以上。    
梁柱结构是车身骨架基础承载单元，在车身总成中所占百分比较高。评价轻量化对刚度影响程度可使用SME(Stiffness Mass Efficient)值，即“单位质量所含有刚度值”进行比较。SME 值越高，表明该结构在保持刚度不变情况下轻量化效果越好，反之亦然。比如：铝材和钢材相比，假如用铝材制作结构件，其强度大于相同质量钢材结构件30%。所以说，假如保持和钢结构件相同强度前提下，其铝结构件要轻30%左右。
从结构轻量化路径考虑，在满足空间尺寸限制前提下，我们还能够从“型材截面优化”方面来增加其结构件强度（钢制型材无法办到），如增加矩形截面薄壁梁高度为提升其弯曲和扭转刚度最好方案，增加宽度仅能提升其扭转刚度，但改变壁厚没有效果。如增加矩形截面薄壁梁中筋板个数为提升其弯曲和扭转刚度最好方案，但改变壁厚没有效果。如增加矩形截面薄壁梁中筋板形状为提升其弯曲和扭转刚度最好方案，但改变壁厚没有效果。如增加圆筒截面直径为提升其弯曲和扭转刚度最好方案，但改变壁厚没有效果。和上述闭口情况相反，对于任意开口截面，增加壁厚为提升其扭转刚度最好方案，但开口型材扭转刚度远远小于闭口型材。
2)、车身蒙皮成形工艺
车身蒙皮是指附盖在车身骨架上外蒙皮，铝板蒙皮加工成形方法和钢板蒙皮加工方法基础上相同，经过液压机和模具对板材进行冲压成形，因为铝板拉伸性比较差，所以在对铝板进行冲压成形时，要对模具进行润滑性改良，或对铝板进行退火处理，或对铝板进行加热处理。对于有强度要求结构件，在进行退火、加热处理成形后，还要进行恢复强度时效处理。
还有一个全铝车身蒙皮成形工艺，就是型材式挤压成形蒙皮，其和骨架连接后，能够增加骨架20%强度。如沃尔沃生产公路客车和晟通研制城市客车全部采取了此项技术。
五、铝型材连接工艺
车身各零部件连接是指骨架和骨架、蒙皮和骨架、钢件和铝件、车门和骨架、内饰和骨架等各零部件之间有效连接，对于全铝车身结构来说，关键在骨架和骨架、蒙皮和骨架之间连接，经过资料调查表明，现在全世界全铝车身结构设计制造企业，大约分为三类：一是以英国亚历山大丹迪斯为代表铆钉连接工艺；二是以法国肯联为代表螺栓连接工艺；三是以美国美铝为代表焊接连接工艺。
按汽车轻量化轻量准则，其焊接连接工艺最轻，其次是铆钉连接工艺，螺栓连接工艺最重。按疲惫强度可靠性来说，螺栓连接工艺和铆钉连接工艺最好，其次是焊接连接工艺。按生产成本核实，焊接连接工艺最省，螺栓连接工艺最贵。
六：总结
为达成汽车节能环境保护目标，对汽车进行轻量化结构设计，是最直接、最有效路径。在轻量化材料选择上，利用铝材可挤压成多种截面形状特点，从而达成从截面结构上增加整体结构强度，是高强钢、玻璃钢、碳纤维、不锈钢等材料无法做到。所以说，铝合金材料是实现汽车轻量化首选材料。
全铝车身结构技术，在其轻量化材料、轻量化工艺、轻量化结构三个方面研究结果，是汽车轻量化最好处理方案。
湖南晟通集团汽车研究院全铝汽车项目技术责任人：伍成祁  
关键词解释：
1)、Stiffness Mass Efficient：
单位质量所含有刚度值：SME=K/M，系数=刚度/质量。
将车身薄壁梁截面参数对其弯曲刚度和扭转刚度影响进行定量分析和性能优化意义重大。以车身薄壁梁刚度质量系数SME作为评价指标，经过对经典闭口和开口截面梁分析，得到了薄壁梁截面参数和SME解析表示式。用HyperMesh软件进行有限元仿真计算，对定量化表述理论公式进行了验证，并提出基于刚度特征优化薄壁梁截面设计标准。把该设计标准应用在某车型车身上，比较整车弯曲SME值和扭转SME值前、后改变，得到了更优整车刚度水平。
2)、型材截面优化
铝材最大特点是可挤压成多种截面形状，经过对截面形状有意识地按抗弯强度、抗扭强度、抗剪强度、疲惫强度等结构要求来进行截面设计，从而达成从截面结构上增加整体结构强度。