汽车轻量化解决方案—全铝车身结构设计
伍成祁
摘要： 解决汽车节能环保的问题，有提高传统燃油发动机的能效、发展新能汽车、应用轻量化技术三个方向。比较以上三种技术路线，在当今发动机技术提升难度日益加大、动力电池效率不高的背景下，不论对传统燃油汽车，还是新能源汽车，汽车轻量化技术都是一项共性的基础技术。大力发展并推进汽车轻量化技术，成为节能、减排的主导之一。而实现汽车轻量化技术又有三个技术途径：一种“轻量化材料”要通过一种“轻量化工艺”来实现一种“轻量化结构”。
关键词：汽车轻量化 全铝车身 型材截面优化Stiffness Mass Efficient
由于世界能源的随时枯竭与环境的日益恶化，世界各行各业都积极行动起来，根据政府的优惠政策与民众的强烈要求，在节能、环保方面进行了高投入研发其高效节能、积极环保的产品。汽车产业首当其冲，其汽车零部件的制造，迁联到能源、钢材、铝材、合金、塑料、橡胶、玻璃、化工、机械、电器、信息等各行各业，对汽车节能环保的要求，就是对其它相关行业的要求。对汽车进行轻量化结构的研究，要联系相关行业的专业知识，进行综合性的研究。 一、汽车轻量化的目的
就汽车产业而言，根据汽车产品的特点，降低油耗或提高燃油效率、减少或清洁排放对环境的污染，是节能环保研发的主要目的。从全球汽车产业来看，解决汽车节能环保问题主要采用以下三种方式：
一是大力发展先进发动机技术，通过对传统发动机的改良和一系列汽车电子技术的应用，来提高燃烧效率，改善燃油经济性。
二是大力发展新能源汽车，通过研发先进新型发动机技术和推广使用气体燃料、生物质燃料、煤基燃料、高效电池等动力替代传统能源来减少汽车燃油消耗和对石油资源的依赖。
三是大力发展汽车轻量化技术，在保障汽车安全性和其他基本性能的前提下，通过减轻汽车自身重量降低能耗来实现节能减排的目的。
比较以上三种技术路线，在当今发动机技术提升难度日益加大、动力电池效率不高的背景下，不论对传统燃油汽车，还是新能源汽车，汽车轻量化技术都是一项共性的基础技术。大力发展并推进汽车轻量化技术，成为节能、减排的主导之一。
汽车的轻量化，英文名：Lightweight of Automobile，涵义是“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。”
世界节能与环境协会的研究报告指出：汽车自重每减少10％，燃油消耗可降低6％—8％，排放降低5%—6%。而燃油消耗每减少1升，CO2排放量减少
2.45kg。燃油消耗量减少不仅有利于节约能源，也可有效减少污染物排放。当前，由于节能和环保的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。
伴随着技术进步，制造汽车车身的材料已经不仅仅是钢铁了，越来越多的新材料被应用到车身的制作中。其中包括：玻璃钢、铝合金、碳纤维、塑料、高分子复合材料等等。这些相对于钢铁比重要低得多的轻质材料，为实现汽车轻量化成为了工程师们的考量选材。 二、汽车轻量化的实施
在实现汽车轻量化设计时，首先必须要确保其整体汽车结构达到国家的汽车安全标准，其次确保其使用性能达到或超越传统钢制车身的要求。汽车轻量化设计与整车的安全性是一对矛盾体，如果为了满足各种法规的要求，保障乘员的安全，就应提高车身结构的抗弯强度、抗扭强度、侧翻强度、碰撞吸能等特性；如果为了汽车的燃油经济性、减少排放等因素考虑就应减轻车身的质量。因此汽车车身轻量化是在保证汽车整体性能不受影响、确保车身强度、刚度和模态等结构特性要求的前提下，来减轻车身质量的一种设计趋向。所以要求汽车轻量化设计要充分地从材料分析、结构力学、生产工艺、人体工程、工业设计、交通运输、经济效益等众多各不相同的学科紧密地联系在一起进行综合性研究开发。
汽车车身轻量化的实现，主要包括轻量化的材料使用和轻量化的结构设计，以及轻量化的制造工艺这三个方面。前者是车身轻量化的主流，即采用轻量化的金属和非金属材料，主要是采用高强度钢材、铝镁合金、工程塑料、碳纤维、新型玻璃、陶瓷和各种复合材料；后者是利用 “以结构换强度”的结构优化设计和有限元分析等方法，通过改进汽车结构，使部件薄壁化、中空化、小型化、模块化及复合化等以减小车身骨架、车身蒙皮等零部件的质量来达到轻量化目的。实际上两者是紧密相连的，往往采用轻量化材料结合轻量化结构设计，在性能不降低的前提下获得汽车车身的轻量化。 但是，一种 轻量化材料结合轻量化结构的设计方案，还需要一种优良的制造工艺来保证其完善实施。也就是说一种轻量化材料要通过一种优良的制造工艺来实现一种轻量化结构设计。因此，轻量化制造工艺显得特别重要。
总之，汽车轻量化的实施，还需要通过试制样车，进行试验，总结设计经验，对其轻量化设计结构进行优化与完善。汽车车身轻量化设计中的结构优化包括：型材截面优化、连接工艺优化和结构拓扑优化。型材截面优化和连接工艺优化，根据材料特性、受力分析、制造工艺等实践经验进行设计优化。结构拓扑优化是在一定空间区域(骨架部件或结构整体)内寻求材料最合理分布的一种优化方法。它的目标是根据一定的准则，在满足各种约束条件下，在结构上开孔、打洞，去除不必要的构件和材料，使结构在规定意义上达到最优，表现为“用材最小、刚度最大”设计。由于拓扑优化设计自由度大，所以通常用于设计初期和概念设计的阶段。
三、车身的轻量化结构设计
车身的轻量化设计，需要根据不同的材料选择合适的结构形式。下面是最常用的几种车身形式，通过分析比较，选择不同的轻量化处理方法。
1）、碳纤维车身结构：
碳纤维的密度要比钢材低4倍左右，而强度和硬度都是钢材的两倍。虽然它很坚韧，但有受力向度的问题，即整体中的某些部位不太能受力，根据其材料的特点必将车身设计成一体式整体结构，这种结构设计可以营造极轻量的车身重量，但同时会有较大的发动机振荡传入车厢，其材料价格昂贵，手工张贴工艺效率低，报废期后碳纤维无法回收利用。主要用于批量少的高端乘用车上。如兰博基尼、法拉利等车上。
2)、玻璃钢车身结构：
玻璃钢材料与碳纤维一样，呈纤维布的形状，其制作工艺大都采用手工张贴制作工艺，它集合了碳纤维所有的缺点，车身结构只能设计成一体式整体结构，由于其强度远低于碳纤维，一般只用汽车的零部件、外蒙皮等附件上。大客车的前后围蒙皮常用玻璃钢来制作，是因为客车产量少，蒙皮面积又大，不宜开模，只能适应玻璃钢的手工工艺。
3)、铝管式车身结构。
利用铝材可挤压成型材的特点，事先挤压成各种所需截面的型材，此类车身结构的特点大都是“骨架加蒙皮”（板梁式）的形式存在，如以奥迪R8全铝车身为例，它们的ASF车身结构在外型上基本是一体式铝制蒙皮的构造，铝型材骨架本身已经勾勒了车身的线条，与一体式车身稍有不同的是少了一些一体压制的车身内板件，取而代之的是增加大量的铝型材结构分布。根据奥迪公布的数据，使用全铝车身ASF的R8比使用传统一体式钢制车架的车辆能减轻高达40%的车架重量，与此同时整体车架的刚度也有40%的增加。