汽车的轻量化设计
汽车轻量化技术(PPT课件
显著提高材料的强度和硬度，同时保持良好的韧性，有利于实现 车身的轻量化。
应用范围
保险杠、A/B柱、车门防撞梁等安全件。
内高压成型技术
技术原理
利用液体介质在密闭模具内施加 高压，使管材发生塑性变形并贴 合模具内壁，从而得到所需形状 和尺寸的空心构件。
优点
减少零件数量、减轻重量、降低 成本、提高生产效率等。
镁合金零部件
在发动机、变速器等部 件中使用镁合金，实现 轻量化。
塑料油箱
采用塑料油箱替代传统 金属油箱，降低重量并 提高安全性。
底盘系统轻量化应用案例
铝合金车架
利用铝合金材料制造车架，降低底盘系统重量。
高强度钢悬挂系统
采用高强度钢材制造悬挂系统部件，实现轻量化的同时保证性能。
碳纤维复合材料轮毂
采用碳纤维复合材料制造轮毂，显著降低重量并提高强度。
轻量化技术是汽车节能减排的重要手 段之一，也是未来汽车发展的重要方 向。
轻量化技术的分类
材料轻量化技术
采用高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维等轻质材料，降低汽车 质量。
设计轻量化技术
通过结构优化、拓扑优化等设计手段，实现汽车轻量化。
制造工艺轻量化技术
采用先进的制造工艺，如激光焊接、热成型等，降低汽车质量。
汽车轻量化技术ppt课件
目录
• 引言 • 汽车轻量化技术概述 • 轻量化材料技术 • 轻量化设计技术 • 轻量化制造技术 • 轻量化技术的应用与案例分析
01 引言
轻量化技术的重要性
提高燃油经济性
推动新能源汽车发展
汽车轻量化可以降低车身质量，从而 减少燃油消耗和二氧化碳排放，提高 燃油经济性。
轻量化技术对于电动汽车尤为重要， 可以降低电池负荷，提高续航里程和 电池寿命。
汽车轻量化设计方案
汽车轻量化设计方案
汽车轻量化对于降低油耗、减少排放起着重要作用，是汽车工业技术发展方向。
汽车轻量化主要采取材料轻量化与结构轻量化相结合的方式，汽车质量每减轻10%，油耗下降6%~8%，排放量量下降4%。
例如以下方案：
半挂、自卸车大梁轻量化方案
980LE替代700L材料轻量化后：982kg--773kg，减重效果：209kg，21.28%上海频开实业有限公司位于国内现有规模较大的钢材市场——乐从钢铁世界，供应汽车大梁钢，1.5-14mm厚度，多种规格尺寸，其他主营产品有耐磨钢、高强度钢板、工程机械用钢、汽车大梁钢、冷轧高强车厢板、耐候钢、耐酸钢等品种钢，常备万吨库存，品种规格全。
是集原材料供应、加工与物流配送于一体的现代化企业。
车身轻量化意义及设计方法
8.1 车身轻量化意义及设计方法
➢ 车身刚度分配是碰撞安全性的决定因素。安全车身前后部位的刚度应低于中间乘 坐舱的刚度。
➢ 轻微事故时保险杠系统及其碰撞变形元件能吸收冲击能量，减少损失。 重大事故时，乘坐舱变形应尽量小，让乘客有足够的生存空间。乘坐舱以外的部 件应尽量参与变形并吸收冲击能量。
8.1 车身轻量化意义及设计方法
➢ 涉及车身结构各项性能的优化设计过程较复杂，一般将优化设计分为若干阶段。 ➢ 车身结构刚度和模态是最基本的静动态性能，只需确定材料的弹性性能和密度，
其计算时间可控性强，迭代计算较容易收敛，可以以车身结构刚度和模态性能 为约束条件的优化过程，作为优化设计的第一阶段，这是轻量化设计的重要基 础。
碰撞安全性
NVH试验
第8章 汽车车身轻量化
8.1 车身轻量化意义及设计方法
➢ 在车身结构优化计算的基础上，根据可制造性和成本要求调整优化计算结果，使 其适合实际生产需要。
➢ 由此带来的车身结构各项性能的变化需要再次进行验证。经过调整——验证— —再调整——再验证，直至满足各方面的设计要求，最后形成可行的轻量化方案。
➢ 在确定优化设计变量的过程中，通过对车身结构零件的设计灵敏度分析，结合实际 生产中的一些限制，选择对目标函数影响较大的部分车身结构零件参与优化计算 ， 并以这些零件的厚度作为设计变量 车身轻量化意义及设计方法
总之，车身轻量化设计就是以强度高、抗振性好、弹性模量高的材料为 基础，高强度的连接、优化的部件结构为条件，实现车身强度、刚度和 稳定性的要求，并使振动和噪声性能得以保证。
第8章 汽车车身轻量化
8.1 车身轻量化意义及设计方法
车身结构刚度有限元模型
车身模态分析一阶弯曲振型
阐述汽车结构的轻量化设计方法
阐述汽车结构的轻量化设计方法1 汽车结构轻量化设计的提出目前，国内外汽车技术的发展主要有以下三个方面的趋势：一是轻量化；二是环保；三是安全。
现在，人们已经渐渐认识到，想要让汽车工业长久发展下去，就要走可持续发展之路。
可持续发展之路一个很明显的要求就是要节约资源，减少消耗。
针对汽车工业，为了达到这样的要求，就必须采取提高发动机的效率、改善传动机构或者降低车身重量等方法。
其中降低车体重量的一个重要方法就是汽车结构的轻量化设计，其可以显著减轻汽车的重量。
在现实生活中，无论是普通的柴油汽油汽车、电驱动汽车还是燃气驱动汽车，车身机构轻量化都有极为重要的意义。
汽车行业一直在追求舒适、安全、快速，而为了达到这一目标，汽车轻量化是最佳途径之一。
2 汽车材料的轻量化2.1 高强度钢在汽车结构轻量化设计中的应用在汽车结构中，使用最多的材料就是钢。
因此，利用高强度钢来减少汽车结构中钢的使用，对于汽车结构的轻量化设计有重要意义。
一般来说，钢的强化途径主要有以下五种：一是加碳强化。
由于钢中含碳的百分比不同其刚度也不同，因此想要得到高强度钢就需要控制钢中碳的含量。
为此，必须适当增加钢中珠光体的含量，降低铁素体的含量；二是合金强化，在钢中添加合金元素可以大大增加钢的强度，而且不同的合金元素能够使钢所具有的性能也不同，能够大大扩大钢的适用范围；三是固溶强化，即在钢中添加磷、硅或者锰等元素来加强钢的强度的方法；四是热处理强化。
一般来说，钢在经过一定顺序的冷热交替处理之后，其金相组织的结构会发生变化，从而使钢的强度增加。
另外，热处理还可以使钢内碳等元素的含量发生变化，从而可以使钢内部形成一层一层地具有不同性质的结构；五是应力强化，钢在受到一定限度内的拉力之后，其屈服强度可能会提高。
因为钢在受到一定限度内的应力后表面会存在残余应力，这种应力可以抵消钢在今后使用中受到的弯曲应力、扭转应力等。
高强度钢主要是用于制造汽车的外壳和结构件，其优点是经济性好、强度较大；但是其缺点也比较明显，就是耐腐蚀性差。
汽车轻量化设计的现状与发展趋势
汽车轻量化设计的现状与发展趋势汽车轻量化设计是汽车工程领域中一个重要的趋势，它旨在通过采用轻量化材料、优化结构设计等技术手段，降低汽车整车重量并保证车辆性能和安全性。
本文将从现状和发展趋势两方面分析汽车轻量化设计的重要性及未来发展方向。
一、现状目前，随着环保理念的普及和汽车工业的发展，汽车轻量化设计逐渐成为行业的共识。
各大汽车制造商纷纷研发轻量化车型，以提高燃油效率、减少尾气排放，满足环保标准。
同时，轻量化设计也成为汽车性能优化的有效手段，提升车辆的操控性、加速性能和安全性能。
在材料方面，碳纤维复合材料、镁合金、铝合金等新型轻量化材料的应用逐渐增多，取得了令人瞩目的成绩。
二、发展趋势未来，汽车轻量化设计将呈现以下几个发展趋势：1. 多材料混合应用：未来汽车将更多地采用多材料混合的结构设计，根据不同部位的需求选择合适的材料，尽可能减少整车重量的同时保证车辆的性能和安全性。
2. 智能化设计：随着人工智能和大数据技术的发展，汽车设计领域也将趋向智能化。
智能设计工具将可以更精准地模拟汽车结构受力情况，为轻量化设计提供更有效的方案。
3. 制造工艺创新：未来汽车轻量化设计将更加注重制造工艺的创新，例如3D打印技术、先进成型工艺等的应用将为汽车轻量化提供更多可能性。
4. 生态友好：环保将成为未来汽车轻量化设计的重要方向，减少材料生产和使用过程对环境造成的影响，实现汽车轻量化与可持续发展的统一。
总之，汽车轻量化设计正成为汽车工程的主流发展趋势，未来随着技术的不断进步和创新，汽车将更加轻便、高效、环保，驱动整个行业向更美好的未来迈进。
汽车车身轻量化设计方法探究
汽车车身轻量化设计方法探究摘要：车身轻量化是实现车辆节能减排的一条重要技术路线，而车体轻量化具有较高的性价比。
本文从设计、材料、工艺三个方面探讨了汽车轻量化的技术途径。
本课题将对该方法进行深入研究，并将其应用于工程实践，最终达到在保证产品性能的前提下减重的目标，提高我国汽车轻量化技术与产品研发能力。
关键词：车身轻量化；节能减排；技术路线；研发能力引言：自从人类步入二十世纪以来，汽车已经成为了最主要的运输工具，它可以让人们在旅途中节省更多的时间，从而可以更快地抵达目的地。
但是，以往因为受到汽车设计、制造水平的制约，汽车通常都很笨重，再加上对燃油消耗的控制不得当，这就造成了极大的资源浪费，同时对环境造成的污染也不容忽视。
而在今后，环保和节能将逐渐成为汽车设计和制造的主要考虑因素，因此，在改变能源使用方式的同时，如何将汽车设计得更轻便也是一个重要的研究方向。
1.汽车车身轻量化设计的基本方法1.1结构优化设计对其进行优化设计的方法有三种，即形态优化，拓扑优化和尺度优化。
从结构拓扑优化的角度来看，设计人员必须对结构的振动特性、静动态特性等特性进行充分的了解，然后再对结构进行拓扑优化。
而拓扑优化最大的特征就是，在进行设计前，利用一定的受力条件和外部条件，可以找到最优的结构材料配置方案，从而获得结构的某些参数，为以后的设计创造条件。
从结构形态优化设计角度来说，形态优化设计的主要目的是寻求最佳的结构形态设计方法，比如，在进行汽车金属薄板外形设计时，可采用优化的肋条布局，提高金属薄板的刚性与强度，同时降低金属薄板的质量。
1.2有限单元分析技术在目前的工程问题分析中，有限单元分析技术是一种行之有效的方法，它主要是利用计算矩阵来对各个步骤进行计算，它可以将所展示的工程问题转换成数学问题来进行分析和求解。
然而，在处理复杂的工程问题时，有限单元分析技术需要设定许多条件，且计算时间比较长，这就对计算机硬件设备以及有限单元分析软件的要求都比较高。
轿车车身结构轻量化设计技术
3.6% CAGR
4,000 3,000 2,000 1,000 0 North America
20% SUVs and Pickup Trucks
Pounds Per Vehicle
200
135
5% CAGR
150 100 50 0 1990 2000 2006
7.97% Aluminu m 318.7 lb/v
底盘部件的轻量化设计 （FE-DESIGN GmbH，TOSCA）
• 底盘
– 悬架导向机构部件的拓扑 优化设计 – 油箱的拓扑优化设计
• 动力传动系
– 壳体、支承结构件 – 传动部件 – 操纵部件
油箱底面条纹的拓扑优化
汽车变速器拨叉的拓扑优化
下控制臂的优化设计 （Altair，OptiStruct）
油底壳加强筋优化设计（Altair）
车身结构轻量化设计（Altair）
发动机罩的优化设计
焊点优化设计
轿车车身结构轻量化设计技术概述
吕毅宁
清华大学汽车工程系
汽车轻量化设计
• 轻量化设计模型
Min. s.t. Safe Weight Comfortable
Fuel Efficient
Cost Effective
Environment Compatible
etc.
• 轻量化设计方法
– 拓扑优化 – 截面形状、尺寸优化 – 集总模型参数优化
车身结构轻量化设计方法研究
• 更新设计思想 • 结构优化设计 • 采用轻质材料
– 铝合金的应用 – 镁合金的应用 – 高强度钢板和特种钢板的应用 – 塑料和复合材料的应用
• 革新制造工艺
汽车车身结构的轻量化设计
汽车车身结构的轻量化设计随着人们对环保意识的日益增强，汽车工业不得不针对汽车的能源效率、油耗和减排提出更多的要求。
然而，想要提高汽车的能效性，降低油耗和减少排放，就需要解决汽车车身结构过于笨重的问题。
为此，越来越多的车厂开始在汽车车身结构上采取轻量化的设计，以达到更高的油耗效益和碳排放的减少。
1.概述汽车的轻量化设计是指通过采用更轻的材料、更有效的结构和设计、更先进的制造技术等方式来减轻汽车的整车重量，提高汽车的耐用性和性价比。
一般来说，汽车的轻量化设计可以分为三个方面：车身材料的优化选择、车身结构设计的优化及加工工艺的优化。
目前，轻量化的设计已成为汽车工业的一个发展趋势，并在汽车性能、油耗以及碳排放等方面带来了巨大的改进。
2.轻量化材料的选择在轻量化设计中，材料的选择非常重要。
据调查，汽车的车身重量中有70%来自于铁和钢这两种材料，而这些材料也是目前唯一能够满足汽车的强度和安全性要求的材料。
因此，为了实现轻量化的设计，厂商可以从以下方面考虑：（1）铝合金：相比于铁和钢，铝合金密度更低，具有一定的强度和硬度，耐腐蚀性能良好，成本较高，但是可以提高车辆燃油效率及减少碳排放。
（2）碳纤维：碳纤维是当今车身轻量化的理想材料，密度仅仅只有铁和钢的1/5，而且具有很高的强度和拉伸强度。
但是碳纤维容易受潮湿及高温影响,而且成本非常高，所以在实际应用中用的较少。
（3）镁合金：镁合金是一种相对轻质的金属材料，密度比铝合金更轻，力学性能也很好，而且还具有良好的热传导和电导率。
不过，镁合金的腐蚀性也比较强，制造成本较高，所以仅在部分车型上应用。
3.车身结构设计的优化除了材料的选择，车身结构的优化设计也是轻量化设计的重要方面。
通常，车厂可以采取以下设计措施：（1）钢材件结构优化：对车身的各个零件加以精简或是部分区域的厚度减薄，将车身零件的功能和强度保持不变，同时将车身重量降低，否则加强，可以使用HSS及UHSS材料。
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汽车的轻量化技术发展
能源短缺及环境污染问题已成为制约我国汽车产业可持续发展的突出问题，无论是从社会效益还是经济效益来考虑，低油耗、低排放的汽车都是节约型社会发展的需要。
汽车轻量化技术是汽车节油的重要手段，试验表明：汽车质量每下降10%，油耗约下降3%～5%。
自上世纪70年代以来，随着材料技术和设计制造技术的进步，汽车自身质量逐年减少。
以美国为例，上世纪80年代初，中型轿车的平均质量为1520kg；90年代初下降至1475kg;90年代末下降至1230kg；1985～1995年期间，轿车质量平均每年减少0.9%。
20世纪末和本世纪初世界各国先后出现了百公里油耗3L的汽车，这类汽车的质量基本上处在750～850kg之间，比现今同类车轻50%。
1998年德国大众推出的路波3LTDI，汽车自身质量只有800kg。
奥迪公司最近开发的紧凑型全铝轿车AudiA2，汽车自身质量只有895～990kg。
商用车的自身质量也在逐年减少，以意大利依维柯商用车为例，2004年其驾驶室的质量已降为960kg，减少了40%。
一、我国汽车轻量化技术发展现状
与汽车自身质量下降相对应，汽车轻量化技术不断发展，主要表现在：①轻质材料的比重不断攀升，铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢、塑料、粉末冶金、生态复合材料及陶瓷等的应用越来越多；②结构优化和零部件的模块化设计水平不断提高，如采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的，计算机辅助集成技术(CAX)(包括
CAD/CAE/CAO……)和结构分析等技术也有所发展；③汽车轻量化促使汽车制造业在成形方法和联接技术上不断创新。
近年来，我国在汽车轻量化技术方面也取得了不少成果。
“九五”和“十五”期间，一批汽车新材料项目被列为国家“863”、“973”高新技术项目和国家科技攻关重大项目，促进了汽车轻量化技术的进步。
“九五”期间，我国进行了铝合金材料和铸件生产成套工艺技术的开发研究，开发出了多种铸造合金和高性能轴瓦材料；耐热铝合金、高强高韧铝合金、铝基复合材料等新材料的研究取得了较大进展，半固态成型、快速凝固等先进成型技术研究与应用也取得了突破。
一汽等几大汽车生产厂家都有自己的铝合金铸造生产线；湖南大学也正在进行汽车大型铝合金结构件整体铸造成形技术和关键设备的研究；重庆汽车研究所、西南铝、东北大学和一汽都进行了铝合金板材的成形性研究。
“十五”期间，我国将镁合金应用与开发列为材料领域重点项目，一汽、东风、长安等汽车企业建立了压铸镁合金生产线；重庆汽车研究所在镁合金零件的性能测试、疲劳试验、计算机模拟等方面做了大量的工作；上海交大、湖南大学、重庆大学等高校就镁合金的强韧化、耐蚀性、阻燃性和抗高温蠕变性等开展了较深入的研究。
目前，国内汽车轻量化材料正在加速发展，车用高性能钢板、镁合金已在汽车上有所应
用。
如上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金。
上世纪80年代，重庆汽车研究所就开展了双相钢研究；一汽轿车、奇瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。
在汽车结构优化设计方面，国内已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段。
目前出现了一批拥有自主知识产权的汽车车身模具开发技术，如湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了较深入的研究；北京航空航天大学开发了CAD系统CAXA，并已经开展了客车轻量化技术的研究，利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，以减少车身骨架、发动机和车身蒙皮的重量等。
二、我国汽车轻量化技术发展面临的主要问题
目前，我国汽车轻量化技术无论在理论研究方面还是在实际应用方面与国外均有较大差距，轻量化技术的发展主要面临如下问题：
（1）轻量化技术涉及众多学科的研究领域，需要运用多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系，而在目前的研发体系下，各研发机构往往只注重单个技术的研发，很少开展各技术间的交叉与融合；
（2）汽车轻量化技术涉及众多的共性技术和前沿技术，其关键、核心技术的突破不可能由单个企业或科研机构独立完成，必须要由国家级的研究机构对其关键、重大问题进行战略性和前瞻性的超前部署，而目前此类机构尚未建立；
（3）产、学、研结合不够紧密，没有明确定位、合理分工，基础研究和技术开发研究的有机衔接不够，企业规模小而分散，轻量化技术开发能力薄弱，研发人才短缺，工艺水平落后。
三、我国汽车轻量化技术研发重点
要提高我国汽车轻量化技术水平，当务之急是集成全国轻量化技术优势，开展产、学、研大联合，建立资源共享的汽车轻量化技术科技创新平台。
该平台应积极推进产、学、研的合作与交流；促进汽车轻量化技术研究成果向产业化方向转化；制定汽车轻量化技术重要产品和检测方法等规范及标准；建立高水平的相关产业技术人才培养基地和提供技术咨询的服务机构。
汽车轻量化技术科技创新平台，应重点开展以下五个方面的研发工作。
1.汽车轻量化技术发展战略研究
研究国内外汽车轻量化技术的现状、发展趋势及发展环境，随时掌握国内外汽车轻量化技术发展动态，探求突破前瞻性技术瓶颈问题的方法与措施。
采用定性与定量相结合的方法，分析不同汽车轻量化材料的不同设计理念和不同制造工艺对汽车节能、环保、安全和可靠性的影响。
并在此研究基础上，探索适合我国国情的全新的轻量化节能型汽车的设计制造发展方向，包括材料设计理念、制造工艺和制造装备研制的发展方向等，在汽车轻量化节能方面为汽车行
业、汽车企业和相关研究机构提供有价值的咨询服务和决策参考。
2.汽车轻量化先进材料开发研究
针对汽车关键零部件对材料的使用要求，开发研究轻质、高性能、易成形、可回收的新型先进轻量化材料，为节能型汽车的设计制造提供材料基础和技术支撑；
对汽车轻量化技术及新型材料的应用技术进行深入研究，以充分发挥各种轻量化材料的优势，并进行各种材料优势的集成，突破有关汽车轻量化材料开发与制造方面的难点和关键瓶颈技术。
3.汽车轻量化结构优化设计研究
开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术，使节能型汽车从制造到使用的各个环节都真正实现节能、环保。
研究常用汽车零部件模块化设计数据库及模块化方案，常用和典型模块的参数化设计等，建立模块化设计知识库和专家系统。
以计算机辅助工程(CAE)方法作为获取知识的手段，建立轻量化汽车零部件性能数据库及成型工艺咨询库；建立常用车型材料在成型前、后以及不同使用时间的参数库；建立吸能部件优化设计专家系统，开发新一代汽车CAE软件系统。
通过这些数据库和专家库的建立，大幅度提高我国汽车结构设计水平，为快速进行汽车结构轻量化设计提供有力手段和有效工具。
结合参数反演技术，多目标全局优化等现代车身设计方法，研究汽车轻量化结构优化设计技术，包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块等。
从结构上减少零部件数量，确保在汽车整车性能不变的前提下达到减轻自重的目的。
4.汽车轻量化材料冲压理论与工艺技术研究
加强高强度、轻量化先进材料在汽车制造领域的应用基础研究。
通过开展基于CAE的冲压工艺设计和优化方法研究，提出轻量化材料冲压回弹预测与补偿、起皱和拉裂预测与消除、毛坯反求与优化的新工艺、新理论与方法。
从机理上研究复杂零件冲压中不同材料流动不均匀的产生原因和影响因素，开展多种形式的材料流动阻力控制方法及相应工艺理论和设计技术的研究。
研发具有原创性和实用性的高强度钢冲压技术、汽车结构件的超高强度钢成型技术、应用于复杂汽车零件的液压成型技术和激光拼焊技术等。
以CAE技术作为获取知识的手段，建立先进材料成型工艺专家库和零件性能数据库，为新材料的推广应用打下坚实的基础，缩短我国与发达国家在基础数据方面的差距。
5.汽车轻量化激光加工技术与装备研究
激光加工技术是实现汽车轻量化的重要途径之一。
系统进行激光与材料相互作用机理、激光加工过程无损检测和控制等基础理论研究，建立激光加工工艺方法和工艺参数的优化数据库；研究不同材料的激光切割方式，开展激光切割、焊接、精细烧蚀、直接快速成型、激光涂敷、激光辅助切削加工等理论的研究，开发激光三维切割工艺技术，建立工艺参数数据库及专家系统；研究激光深熔焊接理论，开发激光三维焊接技术与装备；研究不同板厚、不同汽车材料，尤其是轻量化材料的激光加工拼焊技术与装备。