【MFC推荐】轻量化技术和材料在汽车工程中的应用

2022-12-21 14:08:46 来源：

导读：

结构轻量化的技术路径

01 结构优化技术

结构优化技术是指在原经验设计的基础上，利用计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）的方法，对材料的承载状态、工艺特性进行仿真，进一步指导对原结构的设计优化，主要包括拓扑优化、尺寸优化、形状优化、形貌优化等。引入CAE仿真方法，对零部件及整车进行结构优化，可明显提高车辆的轻量化设计水平。

整车开发流程中一般会对初始设计进行多轮的结构优化。拓扑优化是在零部件概念设计阶段，基于零部件的主要载荷状态，使材料在设计空间内进行优化分布，以获得最优的拓扑结构。尺寸优化及形状优化是在拓扑优化的基础上，进一步调整局部的材料分布、形状、形貌等详细设计，以获得最终的结构方案。各种结构优化原理如图1所示。

结构优化技术已在汽车结构设计中有了较多应用。庄海涛等对某车型转向节进行了优化设计，转向节的材质为40Cr，质量为4.29 kg，优化后质量为3.9 kg，减重0.39 kg，减重比例为9%。王振东等[5]对某乘用车后下控制臂进行了拓扑优化设计，优化前控制臂质量为7.5 kg，拓扑优化后控制臂质量为5.5 kg，减重2 kg，减重比例为26.6%。

干年妃等基于北京现代索纳塔前车门，将单一钢制车门内板重新设计为多材料分块式车门内板，并进行了拓扑优化，原车门内板质量为6.171 kg，优化后质量为4.761 kg，减重1.41 kg，减重比例为22.8 %。

马芳武等针对汽车某车型后副车架，通过多目标优化方法，并将副车架纵梁材质由低碳钢S550MC变更为铝合金6061，使副车架总成的质量由16.6 kg降低至14.19 kg，减重2.41 kg，减重比例为14.5%。

陈潇凯等通过将控制臂由原钢材均质结构变更为壳/多材料填充结构，如图2所示，原钢制控制臂主体部分质量为2.19 kg，壳/多材料控制臂主体部分为1.9 kg，减重0.29 kg，比钢制结构减重13.2%。

在汽车零部件设计过程中，结构优化设计的同时，一般会结合轻量化材料的合理使用，可以获得更好的减重效果。

02 轻量化结构材料

目前，汽车轻量化材料主要包括超高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、碳纤维复合材料（Carbon FiberReinforced Plastics, CFRP）等，典型材料的强度对比如表1所示。在汽车车身结构中，使用最多的仍然是钢材和铝材，但镁合金和复合材料的用量在逐步增加，车身由钢铝混合车身向多材料混合车身发展。

轻量化材料在汽车零部件中的应用已有较多的研究，技术路线以“以铝代钢”和“以塑代钢”为主线，刘阳等对比了塑料和钢制前翼子板的质量，钢制翼子板材质为DC04，塑料翼子板采用PP+EPDM，通过结构集成设计，塑料翼子板可减重48.5%，同时可以明显减少零部件数量，如表2所示。

杨菲菲等分析了某纯电动SUV复合材料后背门总成的轻量化情况，后背门总成主要包括内板、下外板及上扰流板，内板材质为PP+GF40，下外板及上扰流板材质为PP+EPDM，内板、下外板及上扰流板之间用A/B结构胶进行粘合。

钢制材料约为29.1 kg，复合材料约为20.9kg，实际减重8.2 kg，减重比例达28%。郭迎福等对纯电动汽车电池包外壳进行了多材料优化设计，其中低碳钢、低碳钢-铝合金混合、碳纤维3种材质的减重情况如表3所示。钢铝混合设计可以实现减重42%，碳纤维可以实现减重71%。

在汽车设计及制造中，从成本、工艺成熟度、性价比等角度考虑，钢铁材料仍会在一段时间内占据车用材料的很大比例，从表1中也可以看出，先进高强度钢的比强度已不低于甚至高于某些铝合金和镁合金。汽车的许多零部件都开始采用高强度钢进行制造，例如翼子板、地板、顶盖等位置；在B柱、门槛梁、顶盖横梁等重要安全件，部分安全件已开始采用超高强度钢或热成形钢。

03 轻量化工艺技术

汽车轻量化相关的工艺技术主要有热冲压成形、激光焊接、液压成形、结构胶粘接等，热成形和液压成形零部件应用较为广泛。在汽车制造中，热冲压成形工艺主要用于钢铁材料的加工，Mn-B系钢应用最为广泛，如22MnB5、38MnB5等；液压成形主要应用于管类零件的生产加工。

热冲压成形工艺是将热冲压成形用钢加热至奥氏体化，在奥氏体温度区间保温一段时间后，快速转移至热冲压模具中进行成形和淬火，工艺过程如图3所示。最终零件组织一般为完全的马氏体组织，抗拉强度可达到1500 MPa甚至更高。

热冲压成形工艺结合了冲压和热处理过程，奥氏体组织塑性好、变形抗力小，在零件成形后奥氏体转变为马氏体，使零部件回弹小、强度高。目前，热成形件主要应用在汽车安全件上，如车门防撞梁、B柱加强板、地板纵梁、门槛梁等零部件。汽车车身典型热冲压零件如图4所示。

液压成形通过对管形件内腔施加液压力，使其在模具型腔内发生塑性变形，从而得到所需形状，其工艺过程如图5所示。与冲压成形零部件相比，液压成形件可以直接得到具有封闭内腔结构的零部件，减少了焊接工序，可以达到减少零部件数量的效果，同时能提高零件强度和刚度，轻量化效果明显。

崔礼春等将管件液压成形技术应用于某车型扭力梁后悬架和副车架，减重效果如表4所示，分别实现减重25%和31%，同时明显减少焊缝长度，提高了生产效率和可靠性。液压成形零部件主要应用于前后悬架、副车架、门槛梁、防撞梁等零部件。汽车结构中典型的液压零件如图6所示。

主要轻量化结构材料

01 高强度钢

根据汽车用钢的强度分类，把屈服强度为210～550MPa、抗拉强度为270～700 MPa的钢称为高强钢，把屈服强度大于550 MPa、抗拉强度大于700 MPa的钢称为超高强钢。

钢的强度和塑性之间的关系一般是相互矛盾的，强度的升高一般会降低塑性和韧性。传统高强钢的强度难以超过600 MPa，如碳锰钢（C-Mn Steel）、低合金高强度钢（High Strength Low Alloy Steel，HSLA）、各向同性钢（Isotropic Steel，IS）、烘烤硬化钢（Bake Hardening Steel，BH）、高强 IF 钢（High Strength Interstitial Free Steel，HSSIF）等。

通过适当的工艺控制钢的微观组织以得到高强度、高塑性的先进高强钢是现代高强钢的发展趋势之一。先进高强度钢一般为多相组织，如双相钢（Dual Phase Steel，DP）组织为铁素体+马氏体或铁素体+贝氏体，相变诱发塑性钢（Transformation Induced PlasticitySteel，TRIP）组织为铁素体+贝氏体+残余奥氏体，淬火-配分钢（Quenching & Partitioning，QP）组织为马氏体+奥氏体。

主要汽车用钢抗拉强度与伸长率的大致关系如图7所示。不同高强钢的用途不同。烘烤硬化钢适合冲压汽车的外覆盖件，具有冲压成形前较软、形状稳定性好和烘烤后抗凹陷性能较高等特点。双相钢和相变诱导塑性钢适合冲压结构件和安全件等，具有高强度、高碰撞吸收能和高抗疲劳性能等特点。

02 铝合金

铝合金的密度约为钢的1/3，且具有高比强度和优秀的防腐性能，在车辆结构件上的应用逐渐增多。汽车制造中使用的铝合金主要有铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金是将加热至液态的铝水注入铸造模具中冷却，然后加工成汽车零部件。

铝合金铸件质量稳定且易于大批量生产，已被车企广泛使用在轮毂、发动机缸体、变速器壳体、悬架摆臂、发动机悬置等零部件。在车辆中常用的变形铝合金主要有轧制和挤压铝合金，轧制铝合金主要为5系合金，多为板材，主要用于汽车覆盖件冲压成形等。挤压铝合金主要为6系和7系合金，多为型材，主要用于车身骨架。我国铝合金牌号及其对应的合金系如表5所示。