轿车车身结构轻量化设计技术
汽车车身设计及制造工艺新技术分析
汽车车身设计及制造工艺新技术分析随着汽车行业的不断发展，车身设计及制造工艺技术也在不断地更新和升级。
在这篇文章中，我们将对汽车车身设计及制造工艺新技术进行分析，探讨其对汽车行业的影响以及未来的发展趋势。
一、汽车车身设计新技术分析1. 轻量化设计技术随着环保意识的增强和能源危机的加剧，轻量化设计技术成为汽车行业的热门话题。
轻量化设计通过采用更轻、更坚固的材料来减轻车身重量，达到降低燃油消耗、提高能源利用率的目的。
目前，碳纤维复合材料、铝合金和镁合金等新材料的应用成为轻量化设计的主要趋势。
这些新材料具有密度低、强度高的特点，能够在保证车身安全性的前提下显著减少整车重量，提高汽车的动力性能和燃油经济性。
2. 智能化设计技术随着人工智能和大数据技术的快速发展，智能化设计技术也逐渐在汽车行业中得到应用。
智能化设计技术通过借助计算机仿真和虚拟现实技术，实现对车身结构的优化设计和自动化生产。
这种技术能够提高设计效率，降低成本，同时还能够更精确地预测车身在碰撞、扭曲等情况下的变形和破坏情况，为车身设计和工艺提供更科学的依据。
3. 模块化设计技术随着汽车产品线不断丰富和多样化，模块化设计技术成为一种普遍的设计趋势。
模块化设计技术能够将车身结构分割成不同的模块，并且通过标准化和通用化的设计，使得不同车型之间的共用率提高，降低制造成本。
模块化设计技术还能够提高生产效率，减少生产周期，更好地适应市场需求的快速变化。
二、汽车车身制造工艺新技术分析1. 激光焊接技术传统的汽车车身焊接工艺主要采用点焊和焊锡等方式，而激光焊接技术则是一种新型的高效、精确的焊接工艺。
激光焊接技术能够快速并且精确地完成焊接工作，焊接接头的质量更加可靠，焊接变形、气泡等缺陷减少，大大提高了车身的质量和稳定性。
与传统焊接相比，激光焊接技术还可以减少对环境的污染和对工人的伤害，是一种环保型的制造工艺。
2. 涂装技术涂装工艺是汽车制造过程中的重要环节，也是保证汽车外观质量和耐久性的关键。
乘用车车身零部件轻量化设计典型案例
乘用车车身零部件轻量化设计典型案例随着环境保护意识的提高和汽车工业的快速发展，乘用车的车身零部件轻量化设计成为了汽车制造业的一个重要课题。
轻量化设计不仅可以降低车辆的整体重量，提高燃油经济性，还可以减少对环境的影响。
下面将介绍几个乘用车车身零部件轻量化设计的典型案例。
1. 利用高强度材料：使用高强度的材料可以在不增加重量的情况下提高零部件的强度和刚性。
例如，许多乘用车现在采用了高强度钢材来替代传统的钢材。
高强度钢材可以提供相同强度的零部件，但重量更轻。
此外，还有一些先进的复合材料，如碳纤维增强塑料（CFRP）和铝合金等，也被广泛应用于车身零部件的制造中。
2. 结构优化设计：通过采用结构优化设计方法，可以将零部件的结构进行优化，以减少不必要的材料使用，从而降低整体重量。
例如，在车身的设计过程中，可以使用拓扑优化方法来确定最佳的结构形状，以最小化材料的使用量。
3. 部分集成设计：通过将不同的零部件进行部分集成设计，可以减少连接部件的数量，降低整体重量。
例如，一些车辆现在采用了一体成型的车顶和车身侧板设计，通过减少连接接口，可以减轻车身重量。
4. 利用轻量化技术：现代乘用车越来越多地采用一些先进的轻量化技术来设计车身零部件。
例如，采用铝合金替代传统的钢材可以显著减轻车身重量。
此外，还有一些其他的轻量化技术，如混合材料结构、可变厚度设计和3D打印等，也被广泛应用于乘用车的车身零部件设计中。
总之，乘用车车身零部件轻量化设计是当前汽车制造业的一个重要课题。
通过使用高强度材料、结构优化设计、部分集成设计和轻量化技术等方法，可以实现乘用车的轻量化，降低车辆油耗，减少对环境的影响。
这些典型案例的应用不仅可以提高汽车的性能和节能性，还可以为未来的汽车制造业发展提供借鉴和启示。
汽车轻量化技术
汽车轻量化技术为了应对全球气候变化和能源危机，汽车轻量化技术得到了越来越多的关注。
轻量化技术包括材料轻量化、设计优化、制造工艺和部件集成等方面，旨在降低车辆重量、提高燃油效率和减少尾气排放。
本文将探讨轻量化技术的原理、应用和前景。
一、轻量化技术的原理轿车的重量主要包括车身、底盘、动力系统和电气系统等方面。
轻量化技术主要从材料、结构、工艺和部件方面入手，通过降低重量、提高性能和降低成本来实现节能减排目标。
材料轻量化是轻量化技术的核心和基础。
目前，汽车材料主要包括钢铁、铝合金、塑料、碳纤维复合材料和镁合金等五大类。
钢铁是最常用的材料，但其密度高、强度低、耐腐蚀性差，在某些特殊情况下易发生变形、疲劳和裂纹。
铝合金密度轻、强度高、抗腐蚀性能好，但成本高、易熔断、易生氧化皮。
塑料重量轻、成本低、塑性好，但耐热性不高、易老化、断裂性能较差。
碳纤维复合材料具有高强度、优异的抗压和抗拉性能、轻量化效果显著，但成本较高、易开裂、难以进行成形。
镁合金相对基本金属具有密度低、比强度高、抗腐蚀性好等优点，同时也存在着耐热性不好、易受害疲劳等缺点。
因此，如何选择合适的材料来实现轻量化效果将是关键。
结构优化是实现轻量化技术的另一重要方面。
通过优化构造、减少部件数量、增强组件强度、降低积件组装给予轻度化设计，可以减少重量、降低制造成本、提高车辆性能。
例如，采用双曲设计的车身可以使车身刚度得到进一步的提高。
亦或是采用空气动力学设计，使得车辆在运动时减少空气拖拽系数，能量消耗减少，进而提高车辆油耗等。
制造工艺包括成型、模具、件接、表面处理等方面。
其中，成型技术主要包括深冲压、锻造、热处理、涂层、铸造、正火渗氮和热塑弯曲等。
成型技术的发展将越来越重视对材料精度、表面质量、几何尺寸和工艺流程等方面的控制。
这需要不断加强材料表面处理、制造精度和部件集成等技术，降低制造成本和提高车辆质量。
部件集成主要是为了减少零件数量、减小构造尺寸、降低能源消耗、提高系统效率和降低成本。
汽车车身轻量化设计原理
四、白车身轻量化系数简介
标杆车型
Audi A2
Mini 2003 轿车
Volvo S60
VW Fox
BMW New X5 SUV
VW Touareg
扭转刚度 (N·m/deg)
11900
公司现有车型 XX
24500
XX
ห้องสมุดไป่ตู้轿车
20000
XX
17941
XX
27000
XX
SUV
36900
XX
扭转刚度 (N·m/deg)
9153 8866 10618 9829 15102 17000
德系车的扭转刚度相对较高，基本达到15000 N.m /deg以上， 高刚度车身可提升整车的安全性和操稳性，是未来的发展趋势。
2020-5-26
10
四、白车身轻量化系数简介
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L可用下 式表示为：
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5
二、整车重量管理流程及理念
AudiA4在实现整车性能和功能时造成重量大幅提高，通过整车重 量管理采取轻量化技术设计有效平衡性能与重量之间的矛盾对立关系； 即保证性能又达成重量目标，甚至减轻整车重量，进一步提高经济性.
6
三、车身轻量化开发实施思路
建立机制
设定目标
技术预研
车身轻量化方案制定
增加 130kg
4
二、整车重量管理流程及理念
整车重量管理的理念及原则即保证整车性能，实现功能的前提下达 成整车重量目标
不采用高强钢 重量发展趋势
采用了高强钢后 重量发展趋势
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。
新能源汽车轻量化的关键技术
新能源汽车轻量化的关键技术随着全球环境污染问题的日益严重以及对传统石油资源的依赖性不断降低，新能源汽车的发展日益受到社会的关注。
而新能源汽车轻量化是提高其运行效能和续航能力的关键技术之一。
下面将分析新能源汽车轻量化的关键技术。
（一）车身结构轻量化技术车身结构是新能源汽车最重要的部分，其轻量化设计是带来轻量化的最关键技术之一。
轻量化的设计需要寻找的一个平衡点，既满足强度和刚度的要求，又能够通过新材料的使用来减轻车身总重量。
目前，研究重点主要集中在铝合金和碳纤维复合材料应用于车身结构上。
铝材质轻，可以在车身结构上减轻重量，而碳纤维复合材料的轻量化效果更为显著，但其成本较高，需要更多的技术改善才能实现日常使用。
（二）电池系统轻量化技术电池是新能源汽车最重要的部分，也是最为昂贵的零部件之一。
现代电池系统的重量通常超过车身重量的20%。
因此，电池系统的轻量化是提高新能源汽车性能的关键所在。
目前，研究人员在电池结构中广泛采用钛合金和高强度钢材来代替重量较大且容易腐蚀的铅酸和镍氢电池。
另外，针对电池组件的设计也得到了发展，包括探索开发更高效，更坚固且更轻的电池系统。
驱动系统是新能源汽车能源转化的核心，包括电机、电控系统、变速器等。
驱动系统轻量化主要是实现电机的轻量化，以提高驱动效率。
从材料角度，新型高性能磁性材料以及碳纤维等轻质高强材料的应用将为电机重量的降低提供保持所需强度和刚度的可行方案。
同时，减少电机尺寸也能够降低新能源汽车的总重量，提高续航里程。
底盘和悬架系统是新能源汽车的支撑系统，其轻量化设计是提高整车性能的重要手段。
底盘和悬架系统通常采用高强度铝合金和钛合金等轻质高强度材料，以减轻车身重量，降低燃油消耗量。
同时，通过结构优化，减少车轮和刹车系统的重量也能够显著降低新能源汽车的总重量。
综上所述，新能源汽车轻量化是提高其运行效能和续航能力的关键技术之一。
目前，应用于新能源汽车轻量化设计的铝合金和碳纤维复合材料，以及钛合金、高强度钢材和新型高性能磁性材料等轻质高强材料。
汽车轻量化的技术与方法
汽车轻量化的技术与方法汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。
实现汽车轻量化的途径有三条：一是通过整车优化结构设计；二是优化材料设计，即用低密度材料代替钢铁材料的应用；三是轻量化制造，即通过先进的轻量化制造技术的应用，实现轻量化设计和轻量化材料。
1.结构轻量化车身结构轻量化也就是结构优化设计，即通过采用先进的优化设计方法和技术手段，在满足车身强度、刚度、模态、碰撞安全性等诸多方面的性能要求，以及相关的法律法规标准的前提下，通过优化车身结构参数，提高材料的利用率，去除零部件冗余部分，同时又使部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以减轻重量，实现轻量化。
（1） CAD/CAE在汽车结构设计上的应用轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化。
利用CAD、CAE技术，可以准确实现车身实体结构设计和布局设计，对各构件的开头配置、板材厚度的变化进行分析，并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该车的相关数据进行工程分析和刚度、强度计算。
对于采用轻质材料的零部件，还可以进行布局进一步分析和运动干涉分析等，使轻量化材料能够满足车身设计的各项要求。
（2）结构小型化目的是在不增加成本的情况下，维持车身功能与抗击安全性的同时减轻汽车重量。
采用轻量化技术可以减少车身重的25%。
2.材料轻量化（1）轻金属在汽车上的应用铝、镁、钛合金材料是所有现用金属材料中密度较低的轻金属材料，因而成为汽车减轻自重，提高节能性和环保性的首选材料。
铝合金：自70年代开始，汽车用铝量不断增加。
作为一种轻质材料，铝合金正日益受到汽车制造企业的青睐。
目前，全世界耗铝量的12％～15％以上用于汽车工业。
有些发达国家已超过25％。
镁合金：镁是极重要的有色金属，它比铝轻，能够很好地与其他金属构成高强度的合金。
钛合金：钛合金将是替代钢铁的轻量化和高性能的材料，是最具有潜力的汽车用材料。
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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
汽车轻量化设计
• 轻量化设计意义
– 节能、环保 – 提高动力性 – 降低制造成本，提高产品竞 争力
• 轻量化设计方法
– 车身结构拓扑优化
• 基于密度的方法 • 复合材料均质化方法
– 结构识别
车身结构轻量化设计
• 截面形状、尺寸优化方法
– 建立梁、板壳单元有限元模型 – 优化结构形状、尺寸
• 梁截面形状、尺寸 • 板的厚度
– 设计等效车身结构
• 用薄板焊接结构代替梁 • 建立车身设计明细
车身结构轻量化设计
• 车身结构性能分析
– 刚度分析 – NVH特性分析 – 碰撞安全性分析
Ranking 1 2 3 4 5 6 7 8 Load Case Torsion Front crash Side crash Rear crash Vertical bend Rear end bend Roof crush Prop centre bearing Attribute NVH Crash Crash Crash NVH NVH Crash NVH Weighting % 45 15 10 10 5 5 5 5
• 当前热点
– 铝合金材料车身结构 – 高强度钢车身结构 – 车身结构的多学科综合优化设计
车身结构轻量化材料应用实例
• Audi A8和Audi A2全铝空间框架（Space Frame）结构车身 • ELISE全铝合金车赛车 • carbon-fiber composite body structure in Hypercar, Inc.’s Revolution concept vehicle • Jaguar Car by Topology Optimization
Audi A8全铝空间框架结构车身
ELISE全铝合金车赛车
Hypercar, Inc.’s Revolution concept vehicle
Jaguar车身结构轻量化设计
• 车身整体结构的拓扑优化
– 定义车身结构设计空间 – 设计空间离散化
• 实体单元
– 定义车身性能评价指标
• 扭转刚度 • 最低固有振动模态
7.18% Aluminum 251.33 lb/v
Japan
Source: Ducker report December 2005
车身结构轻量化设计实例
• Audi A8和Audi A2全铝空间框架（Space Frame）结构车身 • ELISE全铝合金车赛车 • carbon-fiber composite body structure in Hypercar, Inc.’s Revolution concept vehicle • Jaguar Car by Topology Optimization
• 轻量化设计基础
– 车身结构设计方法 – 车身结构性能分析 – 优化设计方法
轿车车身结构轻量化设计的意义
• • • • 有助于提高车辆的动力性和经济性 降低能源消耗和减少废气排放 改善制动性 车身结构与整车其他部分有较强的关联性， 车身轻量化对整车轻量化具有较大的波及 效果 • 可以提高我国的车身设计开发水平，同时 增强我国整车自主研发能力，对行业发展 具有重要的战略意义
– 轻量化材料
• • • • 高强度钢板和特种钢板 铝、镁轻金属合金 塑料、复合材料 泡沫材料
– 轻量பைடு நூலகம்结构设计
• 车身结构轻量化设计 • 底盘部件轻量化设计 • 发动机动力总成轻量化设计
轻量化设计的历史和发展方向
• 历史
– 车辆的小型化 – 部件的轻量化优化设计
• 发展方向
– 以轻量化为主要目标的整车综合性能的优化设计 – 多材料组合的车身结构的优化设计
Light-weighting part-by-part
Light-weighting by increments more successful than wholesale change
轻量化材料在汽车中的应用
Weighted Average Light Vehicle Aluminum Content
5,000
300 250
225 279.5
2006 Light Vehicle Aluminum Content
Average Curb Weight 50% SUVs and Pickup Trucks 5% SUVs and Pickup Trucks
7.74% Aluminu m
259.28 lb/v