新能源汽车车身轻量化设计方法研究

新能源汽车车身轻量化设计方法研究

刘霞

刘霞

海汇集团有限公司山东日照276526

摘要：汽车的车身是车的外表，消费者根据车身的外观进行选择。一般情况下，对汽车的设计主要表现在汽车车身方面，所以对汽车车身的研究就相对多点。汽车车身在汽车上占有重要比例，仅车身质量就约占汽车总质量的五分之二。为了满足消费者的需求，在对汽车车身进行优化设计的时候，应当从轻量化入手。鉴于此，文章重点就新能源汽车车身轻量化设计方法进行研究分析，以供参考和借鉴。

关键字：新能源；汽车车身；轻量化；设计方法

引言

随着社会的快速发展，汽车保有量越来越多。汽车在带来方便快捷的同时，其油耗排放等问题也越来越引起大家的重视。汽车车身质量约占汽车总重的40％，空载情况下油耗约占整车油耗的70％。其轻量化的目标在于尽可能降低汽车的整备质量，提高汽车的动力性，减少燃料消耗和排放，并且提高操稳性以及碰撞安全性。

1新能源汽车车身轻量化发展现状

1.1高强度钢板的应用

高强度钢板的真正优势是减薄钢板、减轻车身质量而又不降低车身安全性，无论从成本还是性能角度分析，高强度钢板是满足车身轻量化、提高碰撞安全性的首选材料，主要应用在AB柱、地板、门槛等车辆的关键结构件。

1.2铝合金的应用

铝合金的主要特点包括密度小、比强度和比刚度高、弹性和抗冲击性能好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、良好的加工成形性及高的回收再生性等。铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金，铸造铝合金用于重力铸造件、低压铸件和特种铸造件；变形铝合金主要用于空调系统零件、压缩机件、行驶系部分零件、发动机冷却系统散热器件、车身零件和装饰件等，铝基复合材料用于制造汽车活塞、气缸套、悬臂架、制动卡钳、驱动轴及车轮等汽车零件。

1.2.3应用于汽车上的铝合金部件

马自达、奥迪等外覆盖件均采用铝合金板材，铝合金在车身上的应用是从发动机罩和行李箱盖开始，逐渐发展到全铝车身。在汽车上的应用材料为铝合金和铝复合材料，目前国外可达80％以上。60％以上的汽车用铝合金材料为再生铝，回收1t铝合金要比加工制造1t少耗能95％。汽车工业中加工铝合金所需的工装设备的投资要比钢铁少得多，同时汽车铝制车身框架以铝挤压型材为主，焊点少，提高了装配效率，也减少了制造成本。

1.3热塑性塑料与复合材料的应用

热塑性塑料目前主要应用在后尾门，目前很多商用汽车的后行李厢门多采用热塑性材料，相比钢制后尾门，减重10％，提高了市场感知度，并且注塑组装工艺简单，降低了生产成本。复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料组成，其综合性能优于原组成材料，并满足不同的要求，其中碳纤维复合材料（CFRP）因其质量轻、高强度、高模量和良好的耐热、耐腐蚀性等特点，已成为一种非常理想的汽车轻量化材料。如果一辆乘用车采用10kg的复合材料，按照每年新车产量2300万辆计算，车用复合材料产业将形成千亿元的市场规模。由于碳纤维复合材料制造成本过高，在汽车中的应用有限，最初仅在F1赛车、超级跑车、小批量车型上应用，如兰博基尼、柯尼塞格、雷克萨斯LFA、保时捷911GT3承载式车身上。但随着碳纤维制造成本的下降，复合材料制造工艺的成熟，各大主机厂纷纷进行碳纤维零部件的开发，如今被广泛地应用于高级轿车上

2新能源汽车车身轻量化设计中存在的问题

第一，车身是一个比较复杂的部位，其内部有着各种各样的材料，随着汽车使用年限增加，车身内部的这些材料就会出现疲劳失效的情况，这直接影响汽车的静态及动态特性，导致汽车的性能降低，国内对零件疲劳失效的准则并没有进行明确统一；第二，国内在轻量化材料方面取得了飞跃性的进展，尽管汽车车身轻量化的理念已经提出有一段时间，但是轻量化材料在汽车车身上的使用情况仍处于试制阶段，其主要原因是轻量化材料有优点和缺点，但是国内没有相关的规范对其进行评估；第三，国内在汽车车身轻量化方面并没有完整的理论体系，这就导致了汽车车身轻量化在国内实现的困难增加，我国应建立相关理论体系，并对通过研究进行不断完善，理论体系不应只考虑汽车的工艺、性能等目标，还应使汽车的安全性、舒适度等进行提升；第四，在目前汽车市场上，汽车车身大多都是低碳钢或高强度钢，使用轻量化材料的汽车相对较少，这就导致在汽车车身轻量化优化设计的方案有很多缺漏；第五，在汽车设计方面，大多数汽车仍采用的是传统设计方法，并没有引进先进的汽车设计理念，这就导致新型轻量化材料没有在汽车车身上应用的情况。

3新能源汽车车身轻量化设计方法研究

3.1汽车零部件轻量化的方法

第一，汽车产业应当加强对汽车零部件设计的创新，实现汽车轻量化与安全性的结合，并增加驾驶的舒适度，使新型汽车车身与传统相比，更耐腐蚀，使用年限增加，在对汽车零部件设计创新的时候，也应当注意下生产时的成本问题，从而达到提高汽车零部件的设计水平的目标；第二，在对汽车零部件进行设计的时候，应当依据相关的准则，并对相关汽车零部件进行创新设计，在保持原本零部件性能不降低的情况下，尽可能将轻量化材料应用到汽车车身上，有的零部件相对较厚，这时候可以采用高强度的轻量化材料将其替代，从而在汽车零部件的材料方面达到汽车车身轻量化的目的；第三，在对汽车车身设计的时候，可以引进先进的制造工艺，最大程度上实现汽车车身轻量化。

3.2基于设计的汽车轻量化方法

3.2.1车身结构优化设计

通过一些相关资料来看，国外汽车行业的技术人员实现汽车车身轻量化主要是从开发技术方案及轻量化汽车结构形状入手。国外技术人员结合设计概念与理论，对设计方案进行创新；在对汽车结构形状进行设计的时候，有限考虑汽车内部空间结构，对其进行合理优化，使汽车内部的布局达到最佳状态，这样就能最大程度上减少汽车车身上的零部件，从而达到汽车车身轻量化的目的。

3.2.2汽车实体结构布局设计

对汽车实体结构布局进行优化设计，也能达到汽车车身有量化的目的。在进行汽车车身轻量化优化设计前，相关技术人员应先使用CAD软件对汽车的结构布局进行设计，通过在计算机上采用该方法来模拟实体汽车，达到对整个车辆分析的目的，在对汽车进行分析的时候，应当将其零部件的安置情况以及材料种类进行选取，确保设计出来的成果达到轻量化的目标。除此以外，在以上环节结束后，还应使用CAE技术对车身的情况进行分析，确保轻量化材料在汽车上能够达到各项指标。

3.3性能满足各类碰撞法规

车身的动态刚度、静态刚度及其他特性与车辆的被动安全密切相关，是优化车身抗冲击能力并满足各类碰撞法规的基础。发生正面或者侧面碰撞后，车身自身要能吸收足够的能量，同时能尽量使驾驶员和乘客能够打开车门。通过对车辆进行动态及静态实验，了解车身在典型的载荷力作用下车身的弯曲变形是否符合要求。

结束语

综上所述，新能源汽车车身的结构设计是为了尽量减轻车身质量并保证必要的性能指标，减重是新能源汽车节能减排的需要，通过材料设计选择来优化结构，使车身符合其他方面的性能要求而不至于因为减重出现问题。综合运用多种方法可以在结构优化的过程中使得各方面性能平衡，可以使新能源汽车的性能得到提升，达到较高的设计要求，对节能减排做出贡献。

参考文献：

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[4]潘锋.组合近似模型方法研究及其在轿车车身轻量化设计的应用[D].上海交通大学，2011.