面向汽車輕量化設計的關鍵技術研究

殷勤勤　戎盼盼　郁濤　崔強

摘 要：在國家快速發展的過程中，國民生活的質量和水平顯著提高，進而人們對汽車的需求不斷增多，同時對汽車的功能以及使用感受等方面提出來新的要求。尤其是要推動汽車的設計向著輕量化的方向發展。本文以面向汽車輕量化設計的關鍵技術研究為例，分析汽車設計的關鍵技術，采取相應的措施，保障設計的結果，提高汽車的質量和使用效果，為國民的生活和出行提供極大的便利。希望本文的分析，可以為同行工作者提供借鑒經驗。

關鍵詞：關鍵技術 汽車 研究 輕量化設計

隨著汽車行業的進一步發展，促使汽車的設計逐漸向著輕量化的方向發展。但是在設計的過程中，卻存在一些問題，影響輕量化設計的進行，影響汽車的質量和使用效果，同時也是不利于汽車行業發展。因此，就要對汽車輕量化設計的關鍵技術進行研究，采取相應的實行措施，保障輕量化設計的目標得以實現。通過這樣的方式，保障汽車行業的進一步發展，同時提升汽車的功能和質量以及使用效果，滿足國民的需求，提升國民的生活質量，推動國家經濟實力顯著提高。

1 汽車輕量化設計的關鍵技術

1.1 多學科的輕量化技術

在對汽車進行輕量化設計的過程中，需要借助力學和空氣動力學以及控制貢獻還能，還有人機工程等專業的助力?？梢詮钠囌w結構的角度來看，其中有整車和車身以及零部件等順序進行分析，其中主要從整體結構的方面入手，要求輕量化設計要包括耐撞性和NVH以及疲勞壽命等多個方面的要求。因此，在進行汽車輕量化設計的過程中，要借助多個學科，使其可以進行融合，進而實現對汽車輕量化綜合和系統性的設計目標。但是在實際的設計過程中，因為研發機構過度重視單個技術的研究和發展，導致技術交叉和融合的效果有限，難以為汽車輕量化的設計提供助力。所以就要重視多學科的輕量化技術的發展，為汽車質量的提升奠定基礎[1]。

1.2 多目標的優化設計

眾所周知，汽車擁有較為復雜的系統，所以在進行輕量化設計的時候，不但要考慮多個學科的影響，還要對設計過程中可能會遇到問題的解決方案進行評價，這也就是我們所說的多目標優化設計。主要可以從兩方面入手：一方面， 選擇新材料進行設計的時候，要想達到減輕重量的目標，就會使用價格較高的材料，這樣雖然可以實現減重的目標，但是成本卻增加了，因此。這個方式對于看重成本控制的企業來說，是極其不好的。在這個因素的影響下，就要在設計的過程中，尋找重量和成本價格的平衡點;另一方面，汽車內部空間的大小，為了實現輕量化的目的，可能在設計的時候，就會導致部分零件影響內部空間的大小。因此，在設計的過程中，就要重視輕量化與內部空間大小的問題之間的平衡。在這些因素的影響下，在進行汽車輕量化的設計過程中，就要重視多目標優化設計的進行，以此保障汽車的性能，實現設計的意義，滿足客戶的需求。

1.3 近似模型和尋優算法

在面對汽車輕量化設計的過程中，要重視計算零件和整車各方面的性能參數。在對各個學科進行計算和制作分析模型的時候，會出現多個耦合變量，這就需要多個優化迭代步驟。但是多次使用這個步驟，會導致計算過程變得更加復雜，進而影響最優效率的尋找速度和結果。所以在進行設計的時候，經常會使用近似模型的方式進行代替。其中常用的有多項式響應面模型和克里金響應面以及移動最小二乘響應面。之后就要對近似模型進行優化，其中主要使用多學科可行方法和協同優化算法以及BLISS等優化方法，同時還會使用多目標遺傳算法等進行尋優，以此保障設計的結果，推動汽車的發展。

2 保障汽車實現輕量化的措施

2.1 借助輕量化工藝實現

在汽車進行輕量化設計的時候，需要借助輕量化的工藝和結構優化以及新型材料等方面的助力。但是在實際的設計過程中，當汽車生產公司以結構優化的方式去設計零部件的時候，雖然可以實現輕量化的目的，但是使用舊的工藝進行生產時，卻會出現不能滿足國家發展需求的問題，因此，就要使用新型的制造技術。并且在使用新型材料進行零部件設計的時候，因為零部件本身就是需要特殊方式進行制造和焊接的，所以，可以更好地實現輕量化設計的目的。因此，在這些因素的影響下，使得輕量化的結構優化設計和新材料研究者提供助力，使其可以更好地為汽車質量的提升奠定基礎，進而推動汽車行業的發展?，F如今，主要從零件成形性上和制造工藝這兩方面進行改革和創新。其中成形性上主要借助CAD/CAE/CAM等技術，促使沖壓模具設計水平和零件質量顯著提升。同時主要使用的新型成型技術有連續擠壓變截面型材和激光焊接板技術以及高強板的熱成形技術，為汽車的制造和生產提供極大的助力[2]。

2.2 以優化汽車結構的方式去實現

優化汽車結構主要從白車身以及子系統零部件等方面的結構進行優化。其中它的結構任務就是以滿足工藝要求為基礎去對結構形狀以及尺寸進行設計。因此，把汽車結構優化分為尺寸優化和形狀優化。尺寸優化：對截面和零件厚度進行設計，要滿足多種性能的目標要求;形狀優化：優化零件的重量和內部受力的均勻性，這種優化是一種在生物學增長規律為基礎上而形成的數值優化方法。結構優化擁有研發成本少和更能實行輕量化效果的優點，也是被汽車生產廠家喜愛的原因。因為正常情況下，應有輕量化材料的應用需要的研發周期長以及較高的研發成本。但是結構輕量化可以促使汽車的各個部分得以優化和升級，進而可以更好地滿足國民的需求。

2.3 使用多種新型材料其實現汽車輕量化

使用新型材料去實現汽車輕量化就是對汽車整體進行合理化匹配的過程中。因為不同材料擁有不同的性質，但是在使用的過程中，其中可能是蘊含著共通的屬性，也可能是獨立的材料屬性。所以在輕量化設計的過程中，就要既保障結構應用的性能，還要針對不同材料的多種屬性變量進行設計，以盼可以實現其快速并且有效的優化。尤其是要中材料的彈性模量和屈服輕度以及應力應變曲線等內容，若是單獨作為變量進行設計，就會導致優化計算呈現非常復雜的狀態，并且變量較少的話也許還會導致優化出來的材料屬性變量所指代的材料類型不具有唯一性。在對汽車進行輕量化設計的過程中，主要使用輕質的金屬材料和非金屬材料。357B4163-A6FE-4D75-AE92-75252C7459B8

一方面，輕質金屬材料有高強度板和鋁合金以及鎂合金等。首先，高強度剛擁有以下幾方面的優勢[3]：①強度高和經濟性好的特點;②還擁有屈服度高的特點，可以有效地減少料板薄而出現的拉裂現象，以此來實現輕量化的目的，可以有效的設計出更加輕薄的汽車零件。③耐撞性顯著提高，可以在汽車發生碰撞的時候去吸收撞擊力，以此達到保障駕駛人員安全，提高汽車安全性能的目的。④它還擁有較好的耐腐蝕性能，可以有效地增加汽車零件的使用年限，進而提高汽車的使用效果。其次是鋁合金，它的特點是密度小和耐銹蝕性能較好以及可以回收，還有導熱性較好等優點，但是也存在以下幾方面缺點：①鋁合金材料缺乏相應的延伸率，并且鋁合金的彈性模量也是較低;②鋁合金的承載能力較差，會出現凹性能差的問題，如果把它當作外覆蓋件的材料，一旦接觸到外力，在外力的作用下，就會增加零件出現表面凹坑和凸起等缺陷的概率，最終對零件表面的質量產生影響;③鋁合金零件的焊接性能較差。所以在這些方面原因的影響，導致其應用范圍有限。最后是鎂合金，它的特征就是密度和阻尼減振性能好以及易加工，還有可回收性能強、和良好的導熱性能以及耐腐蝕性能。所以這種輕質才可已經被國內外汽車制造的廠家廣泛地應用在汽車制造的過程中。同時這種材料也被稱為“21世紀綠色工程材料”。而且這種材料可以承受劇烈的振動，因此非常適合用在振動噪聲而導致疲勞的零件之中。另外，鎂合金材料是屬于特別容易加工的一種，這種材料的加工能耗是鋁合金的一半，并且這種材料還是密度最低的和最輕的一種材料，又因為這種材料的價格較為昂貴，并且再生技術也不完善，所以這種材料雖然重要，但是應有范圍有限。

另一個就是非金屬材料，其中包括塑料和復合材料等。其中塑料經常被應用在汽車的內飾，如頂襯和儀表臺以及遮陽板，還有汽車上經常觸摸使用的手柄和支架之上。這是因為塑料擁有密度小和成形性好以及良好的隔熱和隔音以及隔振性能。同時塑料的外觀以及觸感都是較好的?，F如今塑料還被用在前后保險杠上。另一方面由于塑料件具有良好的外觀和觸感。 塑料件還大量用作前后保險杠的材料。隨著國家的發展，復合材料逐漸興起和應用，尤其是有機纖維可以都是復合材料的強度性能得到增加，有時可以用來代替鋼板材料，以此實現降低零件重量的目標。同時還可以使用碳纖維去提升復合材料，進而去制作懸架系統的零件，以此保障汽車輕量化設計的效果，推動汽車行業的發展[4]。

3 結束語

綜上所述，汽車輕量化設計是時代發展的趨勢，更是國民生活水平和質量提升的要求。因此，在國家發展的過程中，就要對汽車輕量化設計的關鍵技術進行分析，采取相應的措施，保障設計的結果，提高汽車行業的發展速度。通過這樣的方式，實現國家汽車行業快速發展的目的，滿足國民的需求，進而為我國建設經濟強國和和諧社會奠定基礎。

項目：安徽機電職業技術學院雨耕學院項目式人才培養計劃（yg202004）。

基金項目：安徽省高校自然科學研究重點項目（KJ2021A1520）主管單位：安徽省教育廳。

參考文獻：

[1]魏振洋.汽車輕量化技術的研究現狀[J].汽車工程師，2020，No.283（11）：13-14+21.

[2]鄧江華，董俊紅，孫健穎，等.電動汽車關鍵聲學包輕量化設計及性能穩健性分析[J].噪聲與振動控制，2019，39（2）：90-94.

[3]李永湘，許天輝，王光艷.汽車車門輕量化設計研究現狀及其技術措施[J].山東工業技術，2019，280（2）：33-34.

[4]秦祥春，劉陽，張國強.專用汽車與輕量化技術趨勢的研究[J].區域治理，2019，（3）：172-172.357B4163-A6FE-4D75-AE92-75252C7459B8