面向汽车轻量化设计的关键技术研究

殷勤勤　戎盼盼　郁涛　崔强

摘 要：在国家快速发展的过程中，国民生活的质量和水平显著提高，进而人们对汽车的需求不断增多，同时对汽车的功能以及使用感受等方面提出来新的要求。尤其是要推动汽车的设计向着轻量化的方向发展。本文以面向汽车轻量化设计的关键技术研究为例，分析汽车设计的关键技术，采取相应的措施，保障设计的结果，提高汽车的质量和使用效果，为国民的生活和出行提供极大的便利。希望本文的分析，可以为同行工作者提供借鉴经验。

关键词：关键技术 汽车 研究 轻量化设计

随着汽车行业的进一步发展，促使汽车的设计逐渐向着轻量化的方向发展。但是在设计的过程中，却存在一些问题，影响轻量化设计的进行，影响汽车的质量和使用效果，同时也是不利于汽车行业发展。因此，就要对汽车轻量化设计的关键技术进行研究，采取相应的实行措施，保障轻量化设计的目标得以实现。通过这样的方式，保障汽车行业的进一步发展，同时提升汽车的功能和质量以及使用效果，满足国民的需求，提升国民的生活质量，推动国家经济实力显著提高。

1 汽车轻量化设计的关键技术

1.1 多学科的轻量化技术

在对汽车进行轻量化设计的过程中，需要借助力学和空气动力学以及控制贡献还能，还有人机工程等专业的助力。可以从汽车整体结构的角度来看，其中有整车和车身以及零部件等顺序进行分析，其中主要从整体结构的方面入手，要求轻量化设计要包括耐撞性和NVH以及疲劳寿命等多个方面的要求。因此，在进行汽车轻量化设计的过程中，要借助多个学科，使其可以进行融合，进而实现对汽车轻量化综合和系统性的设计目标。但是在实际的设计过程中，因为研发机构过度重视单个技术的研究和发展，导致技术交叉和融合的效果有限，难以为汽车轻量化的设计提供助力。所以就要重视多学科的轻量化技术的发展，为汽车质量的提升奠定基础[1]。

1.2 多目标的优化设计

众所周知，汽车拥有较为复杂的系统，所以在进行轻量化设计的时候，不但要考虑多个学科的影响，还要对设计过程中可能会遇到问题的解决方案进行评价，这也就是我们所说的多目标优化设计。主要可以从两方面入手：一方面， 选择新材料进行设计的时候，要想达到减轻重量的目标，就会使用价格较高的材料，这样虽然可以实现减重的目标，但是成本却增加了，因此。这个方式对于看重成本控制的企业来说，是极其不好的。在这个因素的影响下，就要在设计的过程中，寻找重量和成本价格的平衡点;另一方面，汽车内部空间的大小，为了实现轻量化的目的，可能在设计的时候，就会导致部分零件影响内部空间的大小。因此，在设计的过程中，就要重视轻量化与内部空间大小的问题之间的平衡。在这些因素的影响下，在进行汽车轻量化的设计过程中，就要重视多目标优化设计的进行，以此保障汽车的性能，实现设计的意义，满足客户的需求。

1.3 近似模型和寻優算法

在面对汽车轻量化设计的过程中，要重视计算零件和整车各方面的性能参数。在对各个学科进行计算和制作分析模型的时候，会出现多个耦合变量，这就需要多个优化迭代步骤。但是多次使用这个步骤，会导致计算过程变得更加复杂，进而影响最优效率的寻找速度和结果。所以在进行设计的时候，经常会使用近似模型的方式进行代替。其中常用的有多项式响应面模型和克里金响应面以及移动最小二乘响应面。之后就要对近似模型进行优化，其中主要使用多学科可行方法和协同优化算法以及BLISS等优化方法，同时还会使用多目标遗传算法等进行寻优，以此保障设计的结果，推动汽车的发展。

2 保障汽车实现轻量化的措施

2.1 借助轻量化工艺实现

在汽车进行轻量化设计的时候，需要借助轻量化的工艺和结构优化以及新型材料等方面的助力。但是在实际的设计过程中，当汽车生产公司以结构优化的方式去设计零部件的时候，虽然可以实现轻量化的目的，但是使用旧的工艺进行生产时，却会出现不能满足国家发展需求的问题，因此，就要使用新型的制造技术。并且在使用新型材料进行零部件设计的时候，因为零部件本身就是需要特殊方式进行制造和焊接的，所以，可以更好地实现轻量化设计的目的。因此，在这些因素的影响下，使得轻量化的结构优化设计和新材料研究者提供助力，使其可以更好地为汽车质量的提升奠定基础，进而推动汽车行业的发展。现如今，主要从零件成形性上和制造工艺这两方面进行改革和创新。其中成形性上主要借助CAD/CAE/CAM等技术，促使冲压模具设计水平和零件质量显著提升。同时主要使用的新型成型技术有连续挤压变截面型材和激光焊接板技术以及高强板的热成形技术，为汽车的制造和生产提供极大的助力[2]。

2.2 以优化汽车结构的方式去实现

优化汽车结构主要从白车身以及子系统零部件等方面的结构进行优化。其中它的结构任务就是以满足工艺要求为基础去对结构形状以及尺寸进行设计。因此，把汽车结构优化分为尺寸优化和形状优化。尺寸优化：对截面和零件厚度进行设计，要满足多种性能的目标要求;形状优化：优化零件的重量和内部受力的均匀性，这种优化是一种在生物学增长规律为基础上而形成的数值优化方法。结构优化拥有研发成本少和更能实行轻量化效果的优点，也是被汽车生产厂家喜爱的原因。因为正常情况下，应有轻量化材料的应用需要的研发周期长以及较高的研发成本。但是结构轻量化可以促使汽车的各个部分得以优化和升级，进而可以更好地满足国民的需求。

2.3 使用多种新型材料其实现汽车轻量化

使用新型材料去实现汽车轻量化就是对汽车整体进行合理化匹配的过程中。因为不同材料拥有不同的性质，但是在使用的过程中，其中可能是蕴含着共通的属性，也可能是独立的材料属性。所以在轻量化设计的过程中，就要既保障结构应用的性能，还要针对不同材料的多种属性变量进行设计，以盼可以实现其快速并且有效的优化。尤其是要中材料的弹性模量和屈服轻度以及应力应变曲线等内容，若是单独作为变量进行设计，就会导致优化计算呈现非常复杂的状态，并且变量较少的话也许还会导致优化出来的材料属性变量所指代的材料类型不具有唯一性。在对汽车进行轻量化设计的过程中，主要使用轻质的金属材料和非金属材料。357B4163-A6FE-4D75-AE92-75252C7459B8

一方面，轻质金属材料有高强度板和铝合金以及镁合金等。首先，高强度刚拥有以下几方面的优势[3]：①强度高和经济性好的特点;②还拥有屈服度高的特点，可以有效地减少料板薄而出现的拉裂现象，以此来实现轻量化的目的，可以有效的设计出更加轻薄的汽车零件。③耐撞性显著提高，可以在汽车发生碰撞的时候去吸收撞击力，以此达到保障驾驶人员安全，提高汽车安全性能的目的。④它还拥有较好的耐腐蚀性能，可以有效地增加汽车零件的使用年限，进而提高汽车的使用效果。其次是铝合金，它的特点是密度小和耐锈蚀性能较好以及可以回收，还有导热性较好等优点，但是也存在以下几方面缺点：①铝合金材料缺乏相应的延伸率，并且铝合金的弹性模量也是较低;②铝合金的承载能力较差，会出现凹性能差的问题，如果把它当作外覆盖件的材料，一旦接触到外力，在外力的作用下，就会增加零件出现表面凹坑和凸起等缺陷的概率，最终对零件表面的质量产生影响;③铝合金零件的焊接性能较差。所以在这些方面原因的影响，导致其应用范围有限。最后是镁合金，它的特征就是密度和阻尼减振性能好以及易加工，还有可回收性能强、和良好的导热性能以及耐腐蚀性能。所以这种轻质才可已经被国内外汽车制造的厂家广泛地应用在汽车制造的过程中。同时这种材料也被称为“21世纪绿色工程材料”。而且这种材料可以承受剧烈的振动，因此非常适合用在振动噪声而导致疲劳的零件之中。另外，镁合金材料是属于特别容易加工的一种，这种材料的加工能耗是铝合金的一半，并且这种材料还是密度最低的和最轻的一种材料，又因为这种材料的价格较为昂贵，并且再生技术也不完善，所以这种材料虽然重要，但是应有范围有限。

另一个就是非金属材料，其中包括塑料和复合材料等。其中塑料经常被应用在汽车的内飾，如顶衬和仪表台以及遮阳板，还有汽车上经常触摸使用的手柄和支架之上。这是因为塑料拥有密度小和成形性好以及良好的隔热和隔音以及隔振性能。同时塑料的外观以及触感都是较好的。现如今塑料还被用在前后保险杠上。另一方面由于塑料件具有良好的外观和触感。 塑料件还大量用作前后保险杠的材料。随着国家的发展，复合材料逐渐兴起和应用，尤其是有机纤维可以都是复合材料的强度性能得到增加，有时可以用来代替钢板材料，以此实现降低零件重量的目标。同时还可以使用碳纤维去提升复合材料，进而去制作悬架系统的零件，以此保障汽车轻量化设计的效果，推动汽车行业的发展[4]。

3 结束语

综上所述，汽车轻量化设计是时代发展的趋势，更是国民生活水平和质量提升的要求。因此，在国家发展的过程中，就要对汽车轻量化设计的关键技术进行分析，采取相应的措施，保障设计的结果，提高汽车行业的发展速度。通过这样的方式，实现国家汽车行业快速发展的目的，满足国民的需求，进而为我国建设经济强国和和谐社会奠定基础。

项目：安徽机电职业技术学院雨耕学院项目式人才培养计划（yg202004）。

基金项目：安徽省高校自然科学研究重点项目（KJ2021A1520）主管单位：安徽省教育厅。

参考文献：

[1]魏振洋.汽车轻量化技术的研究现状[J].汽车工程师，2020，No.283（11）：13-14+21.

[2]邓江华，董俊红，孙健颖，等.电动汽车关键声学包轻量化设计及性能稳健性分析[J].噪声与振动控制，2019，39（2）：90-94.

[3]李永湘，许天辉，王光艳.汽车车门轻量化设计研究现状及其技术措施[J].山东工业技术，2019，280（2）：33-34.

[4]秦祥春，刘阳，张国强.专用汽车与轻量化技术趋势的研究[J].区域治理，2019，（3）：172-172.357B4163-A6FE-4D75-AE92-75252C7459B8