汽车结构的轻量化设计方法综述李传博
汽车车身轻量化文献评述
汽车车身轻量化是当前汽车工业的一个重要研究方向。下面是一篇关于汽车车身轻量化的 文献评述：
标题：汽车车身轻量化技术的研究进ห้องสมุดไป่ตู้与挑战
摘要：汽车车身轻量化是一种有效的方法，可以提高汽车的燃油经济性和减少尾气排放。 本文对汽车车身轻量化的研究进展和挑战进行了综述。首先，介绍了汽车车身轻量化的重要 性和背景。然后，对当前常用的轻量化材料进行了概述，包括高强度钢、铝合金、碳纤维复 合材料等。接着，探讨了不同的轻量化技术，如结构优化设计、材料组合和制造工艺改进。 最后，讨论了汽车车身轻量化面临的挑战，如成本、安全性和可持续性等方面的问题。综合 分析了当前研究的热点和趋势，并提出了未来研究的方向和发展前景。
汽车车身轻量化文献评述
关键词：汽车车身轻量化，轻量化材料，轻量化技术，挑战，发展前景
这篇文献评述综合了汽车车身轻量化的重要性、常用材料和技术、以及面临的挑战。它提 供了对该领域研究的概述和综合分析，为进一步的研究和发展提供了指导和展望。
汽车结构的轻量化设计措施分析
AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计时代汽车 汽车结构的轻量化设计措施分析贾朝贝郑州科技学院 河南省郑州市 450000摘 要： 汽车工业要发展，在目前必须要满足环保要求，汽车轻量化设计可实现节能减排，但轻量化设计不是单纯减重，而是要保证安全性能的前提下去减重，因而如何进行轻量化设计值得探索，本文中重点对此进行了分析讨论，探析了目前市面上主流的轻量化设计方法措施，仅供参考。
关键词：汽车 轻量化设计 方法措施轻量化在当前汽车设计制造产业当中是一个比较主流的方向，与新能源车具有相当的地位，在传统发动机技术发展陷入瓶颈，新能源汽车受限于电池的情况下，轻量化成为了一种非常关键的解决手段，通过轻量化来实现节能减排。
但汽车轻量化，不是单纯减轻汽车的重量，而是在减轻重量的同时提升性能，因此分析讨论如何去进行轻量化设计，具有非常典型的价值意义。
1 轻量化设计概述1.1 轻量化产生背景轻量化设计是目前国内外汽车设计制造技术中的主要发展方向之一，与环保和安全具有同等地位，随着人们环保意识增强，汽车工业要发展，必须要走可持续发展道路，而可持续发展显然必须要实现节约资源、减少消耗，对于汽车工业而言，要达到相关要求，已经得到公认的路径包括提高发动机效率、新能源和轻量化。
汽车的节能环保通常情况下是降低油耗或提高燃油效率，降低或者清洁排放尾气。
在提高发动机效率方面，由于传统发动机不管是柴油机还是汽油机，实际上都已经达到了一个相当高的水准，现阶段主要是通过对发动机进行微量调整并利用汽车电子技术来提高发动机的效率，但效果并不是很理想，仅仅只能说达标。
而新能源汽车在环保上的效果最佳，但是问题在于由于电池的限制，新能源车的发展还需要走很长的一段路，而轻量化技术，在保证汽车安全性的基础上去降低汽车的自重来实现能耗的下降，它可以作为提高发动机能效，甚至是新能源车能效的一种基础技术手段，在当前发动机技术、新能源车技术尚未出现巨大突破之前，轻量化将是节能减排的主流技术手段。
半挂车车架结构仿生设计与轻量化研究
半挂车车架结构仿生设计与轻量化研究摘要：随着物流行业的发展，半挂车作为运输工具的重要性日益凸显。
然而，传统的半挂车车架结构存在着重量大、刚度不足等问题，影响着其运输效率和安全性。
为了解决这些问题，采用仿生设计和轻量化技术，对半挂车车架结构进行了研究。
通过对仿生学原理的分析，提出了一种基于骨骼结构的半挂车车架设计方案。
该方案相比传统的半挂车车架结构，具有更高的刚度和更轻的重量，能够有效提高半挂车的运输效率和安全性。
关键词：半挂车；车架结构；仿生设计前言：半挂车是物流运输过程中的重要组成部分，其主要功能是运送各种货物。
然而，传统的半挂车车架结构存在着重量大、刚度不足等问题，影响着其运输效率和安全性。
因此，研究半挂车车架结构的仿生设计和轻量化技术，对于提高半挂车的运输效率和安全性具有重要意义。
一、挂车车架结构的仿生设计（一）仿生学原理仿生学是指通过对生物体的结构和功能进行研究，从而获取对工程问题的启示和解决方案的学科。
在半挂车车架结构的设计中，可以借鉴生物体的骨骼结构，将半挂车车架设计成一种基于骨骼结构的结构形式。
（二）基于骨骼结构的半挂车车架设计方案生学在半挂车车架结构设计中的应用，是通过模仿生物体的骨骼结构，设计出一种基于骨骼结构的半挂车车架。
这种车架结构类似于生物体的骨骼结构，能够提供更好的支撑和稳定性。
具体来说，这种车架结构采用了类似于生物体的骨骼结构，将车架分为若干个模块，每个模块都由一些相互连接的骨架构件组成。
这些骨架构件之间采用类似于生物体的关节连接，可以灵活地扭曲和转动，以适应不同的路况和负载情况。
与传统的车架结构相比，基于骨骼结构的半挂车车架具有以下优点：1.更轻量化：相比传统的车架结构，骨骼结构采用了更加复杂的几何形状和设计，以提高材料的利用率。
骨骼结构的主要组成部分是骨架和连接件。
骨架是由多个弧形和直线段组成的骨骼结构，其承载能力比传统的车架结构更加集中和均匀。
连接件则是将不同的骨架部分连接起来的元素，其设计也非常重要，可以影响到整个车架的强度和稳定性。
汽车结构的轻量化设计方法综述李传博
Value Engineering0引言随着快速增长的汽车保有量，一方面，汽车作为方便、快捷的交通工具改善了人们的生活和工作方式；另一方面，却加剧了能源消耗，带来尾气、噪声等环境污染以及交通安全危害。
汽车产业面临着节能、安全和环保的巨大压力。
针对上述问题，解决的重要途径是在对动力系统进行改进的同时积极开发和寻找替代能源及相关技术。
但受技术难度、开发周期和市场份额等问题制约，仅靠这一途径很难满足国家和市场的要求；另一个重要途径是整车轻量化。
有关研究数据表明，若车桥、变速器等机构的传动效率提高10%，燃油效率可提高7%；若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%[1，2]。
车身占整个汽车制造成本60%，占汽车总重量的30~40%，空载情况下，70%的油耗将用于车身质量上[3]。
图1展现了日本统计的乘用车自重与油耗之间关系。
显而易见，当车辆的自重从1500kg 下降到1000kg 时，每升燃油平均行驶的里程由10km 上升到17.5km ，即每减重100kg ，每升油可多行驶1.5km ，也就是说在此区间内，燃油的经济性提高了5.7％－10％。
1车身结构轻量化设计的研究内容和方法车身结构轻量化设计研究，主要从三个方面进行：一是结构优化或创新，改进车身结构，使零部件薄壁化、中空化、小型化和复合化[6]，采用CAD/CAE/CAM/CAPP 数字化设计和制造技术提高零部件开发质量；二是采用先进的车身制造工艺，如激光拼焊、中高温成形、滚压或液压成形等；三是采用轻质高强度材料[7]。
宝马汽车轻量化设计方案就是综合运用各种技术在保证汽车性能前提下，最大限度的减轻汽车重量，如图2所示。
2轻量化材料在汽车结构轻量化中的应用2.1高强度钢板高强度钢板材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合优势。
高强度钢板的明显优点是在车身结构设计上采用更薄的钢板，并获得相同的强度，在钢板厚度分别减小0.05、0.10和0.15mm 时可以使车身分别减重6%、12%和18%[8]。
汽车结构的轻量化设计方法综述
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
种必然 的趋势。
２ ０ １ ３ 年第２ １ 期
（ 总 第 ２ ６ ４ 期 ）
咿 黧 南 妻
（ Ｃ ｕ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ Ｎ ｅ ｔ Ｏ ｙ Ｎ ． ２ Ｏ １ ． ２ ０ １ ３ ２ ６ ４）
．
汽车结构 的轻量化设计 方法综述
岳 海 阔
（ 中航 复合 材料有 限责任 公 司，北京 １ ０ １ ３ ０ ０ ）
２ ． ４ 镁及镁 合金在汽车结构轻量化设计 中的应用
镁 的密度 比较小 ，是 目前 最轻的金属结构 ，但 是其强
度 比钢要大 ，且机加 工性 能好 ，耐腐蚀性强 ，其 减振性等
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
球 墨铸铁在 同体积下 的重量约为钢 的百分之 九十 ，因
此 ，在汽车结构 中使用 球墨铸铁代替钢可 以显著 降低车体 的重量 。现在世界各 国的汽车研发机构和生产 商都在尝试
在汽车结构 中使用球 墨铸铁来代替钢 。另外 ，球 墨铸铁 由 于其独特 的性质 ，可以将多个零件集成为一个零件。
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 。由于铝合 金 、镁合 金等新型材料具有 各 自不同的使用 限制 ，高强度 钢依 旧在很长一段时间将是汽车 的主要制造材料。
基于扭转刚度的白车身减重优化
机电技术
2019 年 2 月
基于扭转刚度的白车身减重优化
李文彬
（东南（福建）汽车工业有限公司，福建 福州 350119）
摘 要：白车身（Body in White，BIW）的扭转刚度是车身重要的力学性能之一，对整车各方面的性能有着直接或间接 的影响。以某 SUV 车型为研究对象，运用 HyperMesh 软件建立了 BIW 的有限元模型，并对 BIW 的扭转刚度进行了仿真分 析；为了提高 BIW 的扭转刚度，利用 OptiStruct 软件分析了零件板厚对扭转刚度的灵敏度，得到了影响 BIW 扭转刚度的关 键区域；基于灵敏度分析结果，从板厚、焊点两个方面对扭转刚度进行了优化；对比最终优化前后的结果，扭转刚度增加了 16.6 %，质量减少了 3.9 kg。
1 BIW 扭转刚度的数值计算
1.1 BIW 有限元模型的建立
本文用于分析扭转刚度的 BIW 模型主要包括
A 柱、B 柱、C 柱、地板、顶棚、前后围等部件，不包 括玻璃和 IP 横梁。利用 HyperMesh 软件对各个零 部件进行有限元网格划分，划分网格时采用四边 形单元和三角形单元混合建模的方法，平均单元 尺寸为 7 mm，同时控制单元的网格翘曲度、雅克 比、四边形及三角形的最大最小内角等满足质量 指标。根据 BIW 的结构特点，粘胶采用 adhesives 模拟，焊点采用 acm 模拟、焊点直径为 6 mm，螺栓 连接等其他连接方式采用 rigid 单元模拟。整个 BIW 有限元模型共有 977 352 个单元，如图 1 所示。
效于在连线中点处加载 2000 N·m 的力矩。
车身扭转刚度定义为：
KT
=
M θ
=
M
arctan[
d1
、选取汽车任意零部件进行轻量化设计,写明设计思路,及前后对比
、选取汽车任意零部件进行轻量化设计,写明设计思路,及前后对比设计思路：选取汽车任意零部件进行轻量化设计，首先需要确定目标零部件，并分析其功能和使用要求。
然后可以采取以下几个方面的设计思路进行轻量化：1. 优选材料：选择高强度、高刚度的材料，如高强度钢材、铝合金等，以减少零部件的重量。
同时还要考虑材料的成本和可加工性，确保设计的可行性。
2. 结构优化：通过结构的优化设计，减少材料的使用量，同时保持零部件的强度和刚度。
可以采用加强筋、薄壁结构、孔洞等手段来实现结构重量的减轻。
3. 制造工艺优化：在设计时考虑零部件的制造工艺，尽量减少工序和操作，减少材料的浪费。
采用先进的制造工艺，如模锻、压铸、复合材料制造等，可以提高零部件的性能和轻量化效果。
4. 材料组合优化：在一些特殊情况下，可以采用不同材料的组合来进行设计，如复合材料结构、材料层叠等，以实现更轻量化的设计效果。
前后对比：轻量化设计后的零部件相较于原有设计，具有以下优势：1. 减重效果显著：通过优选材料、结构优化和制造工艺优化等手段，能够有效地减轻零部件的重量，降低整车的总重，提高汽车的燃油经济性和动力性能。
2. 强度和刚度满足要求：尽管轻量化设计减少了材料的使用量，但通过结构优化和合理的材料选择，仍保持了零部件的足够强度和刚度，保证了汽车的安全性和可靠性。
3. 节约材料和能源：轻量化设计减少了材料的使用量，节约了原材料资源，并在整个产品生命周期中减少了能源消耗，具有显著的环境保护效益。
4. 提升可持续性：轻量化设计符合现代社会对于可持续发展的要求，降低了环境影响和生产成本，提高了产品的竞争力和可持续性。
综上所述，轻量化设计对汽车任意零部件具有明显的优势，在实际应用中可以发挥重要的作用。
一种车身轻量化设计方法[发明专利]
![一种车身轻量化设计方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/71331717f705cc17542709cf.png)
专利名称：一种车身轻量化设计方法
专利类型：发明专利
发明人：马廷涛,庄厚川,金科,石海鑫,陈书礼,苏阳,董笑飞申请号：CN202010741626.3
申请日：20200729
公开号：CN111950080A
公开日：
20201117
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种车身轻量化设计方法，包括：制定车身材料方案，使车身材料性能与其在白车身的具体应用位置相匹配；通过灵敏度计算，筛选出灵敏度高和灵敏度低的零部件，并使车身零部件材料厚度与其在白车身的具体应用位置相匹配；根据灵敏度的高低对白车身零部件的结构进行优化，提升零部件及整车的性能；通过车身零部件的冲压工艺分析，优化成型工艺，保证材料替换方案的工程实现；对优化后的车身零部件进行CAE分析验证，若满足车辆的轻量化设计目标，则设计完成；若不满足车辆的轻量化设计目标，则重复前述步骤。
本发明涵盖材料选择、结构优化、仿真计算和工艺分析，有效提升车身轻量化设计的效率，同时保障设计方案与工程实践的转化。
申请人：中国第一汽车股份有限公司
地址：130011 吉林省长春市长春汽车经济技术开发区新红旗大街1号
国籍：CN
代理机构：长春吉大专利代理有限责任公司
代理人：刘程程
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Value Engineering0引言随着快速增长的汽车保有量，一方面，汽车作为方便、快捷的交通工具改善了人们的生活和工作方式；另一方面，却加剧了能源消耗，带来尾气、噪声等环境污染以及交通安全危害。
汽车产业面临着节能、安全和环保的巨大压力。
针对上述问题，解决的重要途径是在对动力系统进行改进的同时积极开发和寻找替代能源及相关技术。
但受技术难度、开发周期和市场份额等问题制约，仅靠这一途径很难满足国家和市场的要求；另一个重要途径是整车轻量化。
有关研究数据表明，若车桥、变速器等机构的传动效率提高10%，燃油效率可提高7%；若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%[1，2]。
车身占整个汽车制造成本60%，占汽车总重量的30~40%，空载情况下，70%的油耗将用于车身质量上[3]。
图1展现了日本统计的乘用车自重与油耗之间关系。
显而易见，当车辆的自重从1500kg 下降到1000kg 时，每升燃油平均行驶的里程由10km 上升到17.5km ，即每减重100kg ，每升油可多行驶1.5km ，也就是说在此区间内，燃油的经济性提高了5.7％－10％。
1车身结构轻量化设计的研究内容和方法车身结构轻量化设计研究，主要从三个方面进行：一是结构优化或创新，改进车身结构，使零部件薄壁化、中空化、小型化和复合化[6]，采用CAD/CAE/CAM/CAPP 数字化设计和制造技术提高零部件开发质量；二是采用先进的车身制造工艺，如激光拼焊、中高温成形、滚压或液压成形等；三是采用轻质高强度材料[7]。
宝马汽车轻量化设计方案就是综合运用各种技术在保证汽车性能前提下，最大限度的减轻汽车重量，如图2所示。
2轻量化材料在汽车结构轻量化中的应用2.1高强度钢板高强度钢板材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合优势。
高强度钢板的明显优点是在车身结构设计上采用更薄的钢板，并获得相同的强度，在钢板厚度分别减小0.05、0.10和0.15mm 时可以使车身分别减重6%、12%和18%[8]。
因此，在高强度钢板比传统钢在价钱上更贵的情况下，减轻了重量可使得两者实际成本相近。
未来十年，高强度钢在汽车中的应用会大幅度增加。
2.2铝合金比强度和比刚度十分优良的铝金属基复合材料研究开发的成功，是汽车轻量化的进一步发展的一个很好途径。
据统计2010年每辆轿车的平均铝使用量与1998年相比增长53％，上升到130kg 。
铝材的强度和刚度虽然是比钢材小很多，通过框架结构设计及采用更厚的板材也可以补偿这个不足，车身空间框架结构质量在使用铝材后下降47％，与此同时采用改进的断面形式将使车身汽车结构的轻量化设计方法综述The Review of Design Methods for Lightweight of Automobile Structure李传博①Li Chuanbo ；谢然②Xie Ran ；郭琳②Guo Lin（①商洛学院城乡发展与管理工程系，商洛726000；②广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州510640）（①Urban and Rural Development and Project Management Department of Shangluo University ，Shangluo 726000，China ；②Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd.GAC Automotive Engineering Institute ，Guangzhou 510640，China ）摘要：汽车结构轻量化对降低汽车排放和油耗具有重要意义。
文章介绍了汽车结构轻量化的几个代表性研究项目；对高强度钢板、铝镁合金及塑料等轻质高强度材料在车身结构轻量化中的应用进行了阐述；围绕新材料的先进成形工艺，如激光拼焊板、液压和气压成形，热冲压工艺等成形工艺，以及自冲铆接等先进连接工艺进行了分析；同时还介绍了有关的汽车结构优化和创新设计方法。
最后对汽车结构轻量化设计方法的发展动向进行了展望。
Abstract:Lightweight of automobile structure is important for vehicle emissions reduction and fuel consumption.It can be realized by using lightweight-high-strength materials,relative advanced forming process for automobile structure parts,connection technology and structure optimization or other innovation methods.This article describes a few representative research projects on automotive structural lightweight;elaborates the use of high strength steel,aluminum-magnesium alloy,plastics and other lightweight-high-strength materials in the lightweight of body structure;analyzes advanced forming process for new materials,such as tailored blanks,hydraulic and pneumatic forming,hot stamping,and advanced connectivity technology of the self-pierce riveting.It also presents the relative methods for structural optimization and innovative design.Finally,it prospects the development trend of design method for lightweight of automobile structure.关键词：汽车轻量化；高强度钢板；激光拼焊板；自冲铆接Key words:lightweight of automobile ；high strength steel ；laser tailor-welded board ；self-piercing riveting中图分类号：U462文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）19-0029-03———————————————————————作者简介：李传博（1981-），男，陕西商洛人，硕士，讲师，研究方向为车辆检测与诊断技术。
·29·价值工程抗扭抗弯能力增加了13％[8]。
目前，受加工技术和成本的约束，铝材料主要应用在发动机、车门、内外引擎罩、及其他零部件上，在车身制造上还是少见。
各汽车制造商和众多学者的研究一个热点问题是怎样从根本上解决铝合金板成形性能差，因此可获得稳定可靠的成形工艺。
2.3镁合金和塑料镁的密度仅为1.8g/cm3，是钢的1/5，铝的2/3。
相对而言镁合金的比强度（强度与质量之比）最高；比钢度（刚度与质量之比）远高于工程塑料而接近铝合金和钢。
当前镁基合金汽车零部件使用和研制发展势头良好。
正在使用和在研制中的镁基合金汽车零部件欧洲已超过60多种，北美已多达100多种。
今后将重点发展的镁合金零部件主要有：仪表板骨架、发动机缸体、缸盖、油底壳、格栅加强体、结构支架（座）、后车箱盖、内门框、车顶板、加强板，以及某些抗碰撞零件。
塑料在汽车中的应用遍及所有总成，习惯上将它们分为内饰件、外饰件和功能件（其它结构件）。
塑料及其复合材料不仅可减轻零部件约40%的质量，而且还可以使生产成本降低40%左右是当前最重要的汽车轻质材料。
就目前车用塑料配件市场来看，相对于国外发达地区车用塑料已占塑料总消耗量的7%~11%，我国的所占比例不足1%。
由此可见我国仍需要大力扩展车用塑料配件市场。
3结构优化设计和创新性结构在汽车轻量化的应用结构优化的常见形式有：①优化并排焊点。
布置两排或多排焊点的翻边肯定比布置单排焊点的翻边宽，因此在设计中应充分利用模拟分析来优化焊点的布置形式和数量以减少车身重量。
②避免用增加零件整体厚度的办法来解决零件本身局部刚度或模态问题。
一般可以通过采用优化加强筋的形状和位置，局部增加加强板的方法来加以解决。
③减重孔的优化设计。
通过减重孔的设计去掉不必要的质量，达到减重的目的。
整合零部件，减少其数量是实现零件结构轻量化的有效途径。
某些车型的车身骨架零件数已由400个减到了75个，质量减轻达到30％左右。
由于减少了零部件之间的连接，车身刚度得以加强，在提高车身舒适性的同时，达到减重的目的。
4先进成形技术在轻量化汽车结构中的应用4.1激光拼焊板激光拼焊板是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的不同要求，也可以把相同材质的等厚材料焊接到一起冲压，以提高材料利用率。
与传统点焊工艺的产品相比，激光拼焊板最显著的优点是减少了零件数量和材料消耗，降低了整车重量，简化了装配工艺，因而得到了越来越广泛的应用。
目前，由拼焊板生产的汽车零部件主要有前后车门内板、前后纵梁、侧围、底板、车门内侧的A、B、C立柱、轮罩、尾门内板等。
4.2液压和气压成形技术液压成形技术是把管状或板状材料放在密封的模具中，再把流体介质（水、油等）引入管件的内腔或板件与模具的内腔，增加液体压力，使工件在常温下变形，经过膨胀、压缩和成形三个阶段，最终成为所需零部件形状的成形方法。
使用液压成形方式制造的零件，成型后的回弹少、精度高，因此可以节省后续所需的加工以及组装费用。
同时，使用液压成形的加工方法，可将原来需要分割成数个零件组合的部件，用单一的零件代替，减少了零件组合的工作，同时增加车体的刚性，从而达到减轻重量、降低成本的目的。
典型的液压成形汽车零部件有T形接头、发动机支架，排放系统与后桥部件，各种结构件。
图3给出了液压成型生产流程示意图。
气体热成形是正在研究的一项金属成形新技术，它适用于钢、铝合金、镁合金等金属管材、板材，尤其是高强度钢管件的成形。
其工艺过程如图4所示。
同液压成形相比，气体热成形所需的成形压力仅为液压成形的1／30；由于改善了材料成形性能，从而可生产形状更为复杂的零件；同时，设备投资和能源消耗也远低于液压成形。