结构优化在汽车轻量化中的应用综述

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1、结构优化在汽车轻量化中的应用综述摘要：首先论述了汽车轻量化的意义、技术内涵、物理意义、发展现状和方法；接着介绍了高强钢、有色合金材料、塑料和复合材料等轻质材料在汽车轻量化中的作用；然后对尺寸优化、形状优化和拓扑优化三种结构优化方法的概念、数学模型、国内外发展现状加以阐述，并结合实例进行说明；最后提出了结构优化方法的结合使用、理论创新推动拓扑优化展望，以期推动汽车轻量化的发展。关键词：汽车轻量化；轻质材料；结构优化；拓扑优化0前言2013年中国汽车产销双双超过2000万辆，增速大幅提升，并且再次刷新全球记录，已连续五年蝉联全球第一。汽车工业已成为中国的支柱产业。随着汽车产量和保

2、有量的增加，汽车在给人们的出行带来方便的同时，也产生了油耗、安全和环保三大问题。针对三大问题，各国政府制定了如油耗法规、安全法规以及排放法规等条令法规。各国汽车工业界一致认为，汽车轻量化是满足上述三个法规的有效手段和方法[1-4]。1汽车轻量化技术及其发展现状1.1汽车轻量化技术汽车轻量化的技术内涵是：采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能降低汽车产品自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。一方面汽车轻量化与材料密切相关；另一方面，优化汽车结

3、构设计也是实现汽车轻量化的有效途径。1.2汽车轻量化的物理意义汽车轻量化设计应包括质量减轻和功能的完善和改进，为表征白车身的轻量化的效果，宝马汽车公司提出了轻量化系数的概念，该系数可用下式表示[5]为（1）式中为白车身的结构质量（不包括车门和玻璃），为静态扭转刚度（包括玻璃），为左右轮边宽度与轴距的乘积所得的面积，为轻量化系数。有关参量如图1，汽车轻量化效果反应在值上为下降。11图1白车身轻量化系数的相关参量示意图1.3轻量化技术的发展现状目前，国内汽车轻量化材料正在加速发展，新型智能材料逐渐在汽车制造中得到应用。车用高强度钢板、镁合金已在汽车上有所应用，如ULSAB—AVC

4、项目中，车辆结构件几乎100%使用高强度钢[6]，可使汽车重量大大减轻，并增加了设计的自由度。上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金，随着镁合金材料的技术进步及其抗蠕变性能的进一步改善，自动变速器壳体以及发动机曲轴箱亦适合改用镁材料制造。若曲轴箱有铝改为镁，则可减轻30%左右。2轻质材料的应用据统计，汽车车身、底盘(含悬架系统)、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65%以上。其中车身内外覆盖件的重量又居首位，因此减少汽车白车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此，首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体可以有如下几种方案[7]：（1）使用密度小、强度高

5、的轻质材料,如镁铝合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；（2）使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；（3）使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。2.1高强钢高强钢是一种广泛应用的轻量化材料，高强钢最大的优势是：提高材料的强度，在所要求的性能不变或略有提高的前提下，减薄板材构件的厚度，因而减轻构件的质量。减薄和高强是先进高强钢在减重和安全方面的优势，但也对冲压成形工艺提出了新的挑战。减薄和高强对冲压工艺而言是恶化成形性的双重因素，不仅使车身零件在成形过程中易开裂，而且易产生过量回弹，冲压件的回弹常用U

6、型槽的拉伸试验来测定。相对于软钢和传统高强钢，先进高强钢的回弹更大，特别是当钢板原始强度大于1000MPa时，传统的冷冲压方法就难以生产结构、形状相对复杂的车身零件，这就需要热冲压技术[8]。目前我国高强钢应用于汽车零部件中的情况如表1所示。11表1高强钢的应用及作用用高强钢所制造的零件希望的零件性能保险杠、加强板、门防冲柱、边梁加强筋高压溃强度、高吸能发动机盖板、门外板、行李箱盖板高压痕抗力车身边梁、横梁高模量边梁、车轮疲劳强度2.2有色合金材料铝具有良好的机械性能，其密度只有钢铁的1/3，机械加工性能比铁高4.5倍,耐腐蚀性、导热性好。其合金还具有高强度、易回收、吸能性好

7、等特点。汽车工业运用最多的是铸造铝合金和形变铝合金。镁合金具有与铝合金相似的性能，但是镁的密度更低，其比重只有1.8/3，是当前最理想、重量最轻的金属结构材料，因而成汽车减轻自重，是提高其节能性和环保性的首选材料。镁合金在汽车中使用主要具有以下优势[9]：（1）常用金属中最轻的金属（2）比强度高（3）对振动、冲击的吸收性能好（4）易于机械加工（5）抗凹陷性能好（6）良好的焊接和铸造性能（7）易于回收再生但其铸造性差,后处理工艺复杂,成本高。2.3塑料和复合材料塑料的应用同时满足降低整车重量和成本两方面的