探究轻量化技术在汽车工程中的应用

李洪光 孙谱 崔明

摘 要：随着我国交通运输业的发展，我国公路交通已进入高速发展阶段。随着我国交通运输业的发展，我国汽车工业发展迅速。我国主要汽车产业蓬勃发展的同时，我国汽车产业的竞争压力也在显著上升。如何提高汽车的生产质量，装配出高质量的汽车成为汽车行业关注的焦点。目前，我国汽车工业正逐步向自动化、轻量化方向发展。轻量化材料的使用和制造技术已成为衡量汽车轻量化发展水平的一个重要指标。在我国汽车制造业的发展过程中，汽车制造工艺不断优化和创新。轻量化技术能有效降低汽车能耗，改善生态环境，达到节能减排的目的，符合我国可持续发展的理念，也是未来我国汽车制造业的主要发展趋势。为此，本文分析了轻量化技术在汽车工程中的应用现状，以加强技术推广，充分发挥技术的应用效率。

关键词：汽车工程;轻量化技术;应用现状

中图分类号：U462.2 文献标识码：A

0 引言

轻量化技术在汽车工程中的应用主要是运用现代设计手段对汽车产品进行优化设计。该技术的应用通过现代设计理念和手段，优化了车辆的整体设计，提高了车辆的整体性能，降低了油耗，实现了节能减排，提高了车辆的安全性和舒适性，这对汽车工业的长远发展具有重要意义。在满足车辆使用需求的基础上，降低车身质量，从而达到控制车辆能耗、提高运行性能、减少尾气污染等目的。是解决温室气体排放问题、缓解石油资源短缺的主要途径。

随着中国汽车工业的发展，中国汽车工业的内部竞争压力越来越大。如何提高汽车装配质量已成为汽车企业关注的焦点。对于汽车工业来说，汽车装配材料是影响汽车质量的重要因素之一。目前，轻量化材料的使用是我国汽车工业发展的主要方向之一。本文将从汽车轻量化材料的主要材料组成入手，探讨轻量化材料的制造工艺。

1 轻量化技术在汽车工程中的应用前景

轻量化技术在汽车工程中的应用前景主要涉及以下内容：汽车工程轻量化是未来汽车设计的发展趋势，在动力传动、节能减排等方面具有重要的应用意义。在现有的研发体系中，大多是单学科研究，很少实现跨学科的整合。轻量化技术的核心技术不能由单个学科或科研机构独立完成，必须进行多学科的战略部署和集成研究。但是，目前还没有建立起这样的科研机构，产学研结合不紧密，缺乏明确的定位和分工，研究与开发之间的联系不充分，企业规模小，而科研开发能力薄弱，缺乏足够的研发人员。

2 分析汽车轻量化结构技术

汽车轻量化作为一种多标准的技术性材料，其设计需要注重车身尺寸和形状的优化。汽车轻量化技术在创新车身质量的同时，可以将材料参数和截面尺寸结合起来。加强零部件优化，提高整车零部件的安全性和有效性。一般来说，最实用的方法是汽车外形和零部件的轻量化设计。其次，可以优化空间结构的整体力学分布和荷载分布。在轻量化设计理念下，经过多次迭代，材料的性能无法稳定。拓扑优化技术应用于汽车零部件和结构的设计。它可以减轻车身重量，改善汽车结构性能，缩短汽车生产周期，提高汽车质量。一般来说，车身结构的拓扑结构是无骨架结构和空间设计。这也迎合了轻量化设计的特点。轻量化的空间可以通过减轻自身重量来改变。加强材料应用和轻量化工艺设计分析，最终提高整车设计质量。

3 轻量化技术在汽车工程结构设计中的应用

3.1 尺寸优化

从技术发展的角度看，最早的技术手段之一应该是优化车辆结构和尺寸，以车辆结构和零部件尺寸为主要设计变量，如壁厚值、减重孔尺寸等，模拟不同车辆在不同工况下的行驶场景，适当调整车辆的结构规格和尺寸。实时观察车辆的行驶状况和部件的运行情况。结合仿真结果，确定了各结构尺寸设计的约束条件。相关设计人员应建立匹配函数优化模型，导入具体的数学公式，准确得出位移灵敏度、应力灵敏度、固有频率灵敏度、特征值灵敏度等计算结果，从而为车辆结构优化设计提供准确的数据支持。例如，在调整车门结构固有频率和刚度的基础上，适当减轻车门结构的重量，但不会对车门结构的质量、稳定性和安全系数造成任何不利影响，从而更好地达到车辆轻量化设计的目的。另外，在汽车结构尺寸的轻量化设计过程中，设计者不应忽视特征值敏感性、应力敏感性和线性静力敏感性。同时，在行驶过程中可能发生碰撞时，要注意车辆的安全。发生交通事故时，车辆与安全防护设施、其他障碍物和车辆发生碰撞。碰撞过程是一个非线性问题，设计者很难准确获得车辆碰撞敏感度等信息。针对这些情况，相关设计人员可以选择用近似模型设计方法代替传统的有限元模型，精确计算车辆在碰撞过程中的线性载荷值，并以此作为设计数据的主要来源和依据。

3.2 拓扑优化

在汽车结构轻量化设计过程中，拓扑优化设计是设计者以各种材料的空间分布为主要设计对象，引入特定算法，对汽车结构进行精确计算的最佳方法和途径。同时，设计人员应根据车辆的实际情况选择合适的拓扑优化方法。例如，在应用变密度拓扑优化时，设计者应将设计变量视为反映弹性模量与材料质量之间密切关系的变量，而不是材料本身的实际密度。基于材料插值函数，建立了各种材料的合理近似模型和微观结构惩罚模型。该模型结构能直观地显示不同材料分布的中密度单元，并生成拓扑优化结果。另外，拓扑优化方法仅适用于中小型车辆。对于具有离散结构的大型客车模型，设计人员应采用参考结构法，对现有的参考结构进行调整，以获得拓扑优化的相关数据。

3.3 形狀优化

在汽车结构轻量化设计过程中，形状优化设计的主要目的是改善汽车整体结构的受力状态。通过调整整体结构和局部结构，可以更好地发挥应用程序的性能和各种材料的性能。同时，设计者应根据车辆的几何结构，采用最合适的优化设计方案。例如，当车辆几何形状不规则时，参数形状优化方法可以同时优化梁结构截面和车辆减重孔形状。

4 轻量化材料在汽车工程中的应用

4.1 高强度钢

随着材料科学的不断发展和完善，高强度钢自诞生以来就被广泛应用于汽车制造业，对提高结构强度、减轻结构重量具有重要意义。目前，高强度钢主要分为高级高强度钢和普通高强度钢。根据相关调查结果，用高强度钢代替车身材料后，车身重量可降低到原来重量的75%左右。以DP双相钢为例，该钢由马氏体和铁素体组成。马氏体含量在10%～15%之间。含量越高，钢的强度越高。同时，DP钢还具有良好的抗疲劳和延伸性能，广泛应用于车身结构的前、内导轨、前后保险杠、中柱内板等零件和安全件。

4.2 塑料及復合材料

我国汽车制造业发展初期，塑料和纤维复合材料的生产工艺不成熟，材料性能质量差，制造成本高。随着材料科学的不断发展，以及生产工艺的优化和改进，塑料和复合材料逐渐成为汽车车身结构的主要材料，它不仅能满足汽车车身结构的性能和质量要求，同时也大大降低了车身的质量。根据相关调查结果，人体结构中各种塑料及复合材料的平均消耗量在150公斤以上，占人体质量的20%以上。如聚丙烯、聚碳酸酯等材料广泛应用于车身结构中，如踏板、遮阳板、挡泥板、发动机罩、后滑门等部件。长纤维热塑性复合材料用于汽车车门结构、保险杠、仪表板等零件。在宝马I3电动车中，底盘车身材料为碳纤维材料，实际质量仅为传统底盘的50%左右。

4.3 铝合金

铝合金由于其密度仅为钢的1/3，导热性、耐久性和耐腐蚀性强，在工业生产中得到了广泛的应用。铝合金是在铝中加入一定量的混合金属制成的，能全面提高构件的整体强度、耐久性和抗疲劳性。同时，铝合金也可以回收利用，注重节能环保的理念。将铝合金应用于汽车轻量化零部件的制造具有重要意义。它主要用于发动机和底盘的驱动和控制系统部件。一些变形铝合金更多地用于车身系统部件和热交换器制造。由于铝合金制造成本高，它只出现在高档轿车上。随着这项技术的不断研究，铝合金在汽车上的应用也在不断扩大，在特种气囊支架和汽车车轮上也得到了改进和应用。

4.4 工程塑料

塑料成型非常容易，经过处理可以使一些设备变得更加简单。塑料制品具有很强的弹性，能吸收大量的能量，减少碰撞的冲击，具有很强的缓冲作用，以及降噪和校正的能力。此外，与传统金属制品相比，塑料复合材料具有很强的耐久性和耐腐蚀性，远远大于钢板。在汽车零部件制造中，主要用于发动机电子系统、燃油系统等零部件。通过这项技术的延伸。这些材料还用于纳米复合材料、无喷雾塑料、塑料和玻璃纤维增强塑料。

5 结语

综上所述，为了促进现代汽车工业的发展，实施可持续发展战略的目标，企业必须加强轻量化技术的应用，灵活运用各种技术手段，深度挖掘潜在的应用价值，推动汽车轻量化、集成化、系统化的设计制造体系发展。总之，从我国汽车工业未来的发展趋势来看，轻量化汽车将成为汽车工业发展的必然趋势。如何提高汽车轻量化材料的应用和生产技术，已成为汽车工业发展的必然趋势。我国相关人员只有秉持着不懈的理念，才能进一步研究开发出更加优秀的汽车轻量化材料制造工艺，进而为我国汽车工业的发展做出更大的贡献。

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