车身轻量化与钢铝一体化结构新技术研究

车身轻量化与钢铝一体化结构新技术研究进展

前言

着眼于可持续发展，节约资源、减少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的两大问题。汽车每减重10%，油耗可降低6%～8%。因此减轻汽车重量是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一。车身质量占汽车总质量的40%左右，车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用，汽车轻量化正成为21世纪汽车技术的前沿和热点。实现车身结构轻量化主要有两个途径：一是选用强度更高、重量更轻的新材料，例如铝合金、高强度钢材等；二是设计更合理的车身结构，使零部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以及对车身零部件进行结构和工艺改进等。第一种途径在目前看来应该是车身轻量化的主流，针对规模化生产的需要，已有很多轻质材料应用于车身制造工业，如高强度钢、铝合金和碳纤维等。第二种途径是利用有限元法和优化设计等方法对车身进行结构分析及优化设计，以减小车身骨架和车身钢板的质量。

以上两种途径是相辅相成的，必须采取材料替换与结构改进相结合的方法，才可能在保证汽车整体质量和性能不受影响的前提下，最大限度地减轻各零部件的质量。钢铝一体化车身框架结构是在传统的车身骨架钢质结构中，有些构件或组件用铝合金材料代替，且通过优化设计和性能模拟方法确定钢铝的不同比例及以铝代钢的部位，实现车身框架结构的轻量化和高强度。这种结构是车身轻量化的两种根本途径结合的典型应用，完全符合车身轻量化的发展技术路线。

1 国内外车身轻量化技术的发展现状

1.1 运用新材料实现车身轻量化

自1973年石油危机以来，世界各汽车厂在轿车上进行轻量化研究的进展较为明显。现代汽车中占自重90%的6类材料大体为：钢55%～60%，铸铁12%～15%，塑料8%～12%，铝6%～10%，复合材料4%，陶瓷及玻璃3%。用新型板材及轻型材料(如镁、铝、塑料和复合材料等)替换车身骨架及内、外壁板原有的钢材来实现轻量化是车身轻量化技术重要途径之一，主要体现在以下几个方面。

1.1.1 新型钢板

目前诸多的汽车工业企业致力于减轻汽车用钢铁材料的重量，以期达到汽车轻量化目的。汽车用钢逐步向高强度化方向发展，当钢板厚度分别减少0.05、0.10、0.15mm时，车身减重分别为6%、12%、18%。采用先进的高强度钢，增加了安全性，降低了噪声和振动，提高了燃油效率，降低了汽车总质量。成本没有增加，而加速性、驾驶性能却有所改善。

随着钢材品质和性能大大提高，预计到2010年新型钢材的使用将超过70%。日本三菱公司的帕杰罗(SPORT)为该公司最新的SUV型车设计了全新的车身结构，车身70%的构件由高强度钢板制成，整车的扭转刚度甚至比大切诺基还要高45%，车身的承载能力可达2t以上。韩国现代公司的Sonata车身结构也用高强度钢板进行了加强，横梁和立柱全部使用800MPa的高强度钢。奔驰公司在SLK车身骨架中大量使用高强度钢使扭转刚度增加了70%，安全性大大提高的同时也减少了车身的质量。1999年问世的宝马3系列车身骨架其中使用了50%的高强度钢。福特的Windstar车身骨架中60%是高强度钢。丰田最新的车型Vitz的车身结构中高强度钢占了48%，比该公司生产的Starlet车减轻质量17kg。美洲豹X.Type2.5在车身结构上采用了整片式车舱结构，实现了显著的轻量化效果。

1.1.2 铝与铝合金的应用

铝作为汽车材料有许多优点，如在满足相同力学性能的条件下，比钢减少质量60%，且易于回收、在碰撞过程中比钢多吸收50%的能量、无需防锈处理等。比强度和比刚度十分优良的铝金属基复合材料的研究开发成功，为汽车轻量化的进一步发展提供了途径。据预测2008年每辆轿车的平均铝使用质量将进一步上升到130kg，与1998年相比增长53%。世界铝协会在日前发表的一项研究报告中宣布，铝在汽车中的用量已超过(铸)铁，成为仅次于钢的第二大汽车材料。北美、欧洲和日本汽车的单车平均用铝质量如图1所示，其中北美汽车铝的应用水平最高，乘用车每车平均用铝质量目前已达145kg，欧洲平均每车用铝118kg，日本情况与欧洲比较接近。

图1 北美、欧洲和日本汽车的单车平均用铝量

1.2 结构优化实现车身轻量化

1.2.1 铝合金车身框架结构

从各国汽车制造商推出的概念车看，在车体结构上大多数采用无骨架式结构和空间框架式结构，而且大多数以铝挤压型材为主。如图2所示，尽管铝材的强度和刚度比钢材小很多，但是通过框架结构设计及采用更厚的板材，补偿了这个不足，使用铝材后的车身空间框架式结构质量下降47%，同时采用改进的断面形式，使车身抗扭抗弯能力增加了13%。

图2 框架结构图例

奥迪公司的A2型轿车，采用了全铝骨架车身和铝合金蒙皮结构，使总质量减少到895kg，车身由车身框架、刚性型材、铸铁接头和罩壳板组成，比传统钢体车身轻43%，力学性能提高40%。另外，奥迪A8系列良好的碰撞安全性也是基于它的ASF(铝合金空间框架结构1车身结构。这种车身采用高强度铝合金骨架，包围整个乘员室，就像一个防护的笼子。宝马Z8型车也采用了骨架结构和铝合金蒙皮车身，不仅提高了整车的刚度而且减少了汽车的振动，使z8成为宝马家族中最受欢迎的一种车型。可见采用铝合金骨架以及其蒙皮车身在增加整个车身的刚度，提高汽车被动安全性的同时，大大降低了车身的总重量。

但是，由于铝材料的回弹大且易出现裂纹，使铝板在冲压时比钢板难度大，还没有大批量完全采用铝板生产汽车。目前采用全铝制车身一般是年产量在几千辆的小批量生产的汽车，大批量生产的中型轿车车身.中铝结构的比重只占3%～7%。

1.2.2 零部件整合和结构优化

整合零部件，减少其数量也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。奥迪A6采用了整体式发动机罩盖结构(发动机罩盖与散热器罩做成了一个整体)，由厚度为1.1mm的铝板制成，在保留了奥迪车造型特征的同时，具有质量轻耐腐蚀等优点。

结合有限元法与结构优化方法，对零部件进行结构优化，也是实现零部件轻量化的一个重要研究方向。目前结构断面优化的理论和方法已比较成熟，形状优化有了很大发展，人们已经把研究重点转向拓扑优化等更高层次的结构优化问题。

结构拓扑优化研究方法目前有解析方法和数值方法。解析方法不大适合工程应用，工程应用中常采用数值方法。连续体结构目前已成为结构拓扑优化的主要研究对象。连续体结构的拓扑优化设计具有两个不同的求解体系，国内学者主要研究局部应力约束下的强度拓扑优化设计，而国外学者主要研究全局体积约束下的刚度拓扑优化设计。

在汽车轻量化结构优化设计中已普遍采用拓扑优化的方法。YANG等114J研究了基于有限元软件MSC／NASTRAN和CSA／NASTRAN的汽车车身、底盘、焊点位置等的拓扑优化设计问题。WANG等利用有限元法与拓扑优化方法对汽车车身的加强筋部分进行了优化，通过优化设计，在既定成本下汽车车身的整体刚度能够得到充分的提高。FREDRICSON等对拓扑优化设计在汽车设计中的应用作了综述，重点介绍了车身设计中的拓扑优化进展。EOM等117J对车身焊点配置进行了拓扑优化，在确保车身整体刚度要求的情况下，得到焊点最佳位置，使得焊点数量最少。VOLZ掣绍了在产品开发的初期应用线性拓扑优化及非线性形状优化相结合研究车身碰撞性能的方法。LYU等应用多目标遗传算法的拓扑优化方法研究了铝合金空间框架结构的优化问题。石琴等在结构设计的开始阶段引入拓扑优化理论，先对结构进行布局优化，以获得较合理的初始结构方案，再通过结构参数优化设计，得到满足其强度和刚度及设计工艺要求的最优结构。杨树凯等用变密度法建立了汽车支架结构拓扑优化数学模型，利用有限元法进行了结构拓扑优化设计。王宏雁等采用拓扑方法

优化、改进结构，并通过有限元结构模拟计算，对汽车发动机罩进行了优化设计。高云凯等把拓扑优化设计理论引入某电动改装车的承载式车身设计，实现了多工况、多状态变量条件下的拓扑优化设计，确定了下车身的最佳结构方案。陈茹雯等利用基于有限元法的拓扑优化技术设计车身大骨架的拓扑结构，经拓扑优化后的车身大骨架各项特性参数指标均有不同程度的提高。

可见，拓扑优化正成为车身轻量化设计中结构优化的重要手段，更广泛的应用还有待进一步研究。

1.3 新的制造工艺与成形技术

在继续推进汽车轻量化的进程中努力开发新的制造方法，并对传统的制造工艺与成形技术进行变革，也是汽车车身结构轻量化的研究方向之一。针对目前所开发的新型材料高强度钢板、超高强度钢板、轻金属材料如镁铝合金、塑料以及复合材料等，新的成形方法主要有拼焊板成形、液压成形以及针对轻金属材料开发的半固态成形等。国际钢铁协会成立了由18个国家35家钢铁公司组织的ULSAB.AVC项目，它通过车辆的整体设计来实现车身的轻量化，在成形工艺方面，其中有30%以上的零部件采用拼焊板成形，20%以上的部件采用了液压成形技术。大力发展和推广内高压成形技术、管件液压成形技术和塑料中空成形技术等新工艺应用于车身制造，使车身的一些结构件和附件，通过有效的断面设计和合理的壁厚设计形成复杂的整体式结构，不仅减小了结构质量，同时强度、刚度及局部硬度都得到了相应的提高，并且具有较强的成形自由性和设计工作的灵活性。例如本田公司的Insight采用了挤压成形铝合金的前纵梁结构，其断面为正六边形，整个前纵梁结构只需一次挤压成形，与原钢结构相比，省去了焊接工艺过程，在保证原有刚度及吸能特性的同时，减重效果达37%。

制造工艺的改进和成形技术的发展，促进了车身构件的大型化以及车身表面平整化，减少了车身结构件的数量，降低了噪声与振动，改善了舒适性，提高了车身的刚性，最终实现了车身结构的轻量化。

2 钢铝一体化车身框架结构技术发展

钢铝一体化车身框架结构是高性能轻质材料与优化车身结构相结合路线的典型应用，国外虽然已经有少数公司研究并开始试用这种技术，也仅见2004年宝马公司推出世界第一个采用创新的钢铝混合结构技术的车身及2006年奥迪公司在其新款TT跑车上应用钢铝混合