《汽车设计》课件-第5章-汽车轻量化设计

1汽车设计第五章汽车轻量化设计2第五章汽车轻量化设计目录返回目录5.1概述5.2汽车材料轻量化设计5.3汽车结构轻量化设计5.4汽车工艺轻量化设计5.5汽车结构轻量化优化设计3

本小节的教学重点内容：按照对汽车轻量化的定义，从哪几方面对轻量化进行评价？汽车轻量化技术可以通过哪些方面来实现？第五章汽车轻量化设计第一节汽车轻量化设计概述返回目录45.1概述第5.1节汽车轻量化设计概述汽车轻量化是指在满足汽车使用要求、安全性和成本控制的条件下，将结构轻量化设计技术与多种轻量化材料、轻量化制造技术集成应用所实现的产品减重，从而提高汽车的动力性，降低燃料消耗，减少排气污染。汽车轻量化技术，无论对于传统的燃油汽车，还是对于新能源汽车，都是一项共性的基础技术。而车辆全生命周期的材料回收与再利用法规也在迫使工业界采取轻量化材料技术。5第5.1节汽车轻量化设计概述对于常规内燃机车辆，当汽车的重量减轻时，加速和制动所需要的动力也减少，因此可以将发动机、变速器和制动系统设计得更小一些。从车辆动力学的角度看，汽车重量的减轻不会影响车辆的稳定性和操纵性；但从另一方面看，减轻某些部件的重量可以调节汽车轴间负荷分配以及降低汽车质心，这两方面都可以改善汽车的操纵性。汽车重量的减轻会对汽车的两种性能产生负面影响，就是乘坐舒适性和安全性。轻量化在新能源汽车设计中也是举足轻重的，由于整车质量轻了，电动车的续航能力得到了提高；取消了动力总成，电池的分布可以随车身底盘结构的需要布置，提升了汽车的性能。65.1.1汽车的轻量化评价指标1.轻量化指数第5.1节汽车轻量化设计概述2.轻量化品质因子3.名义密度4.质量利用系数71.轻量化指数E

汽车的轻量化评价指标通过引入整备质量、名义体积、百公里综合油耗和发动机指标，提出整车轻量化指数E，其表达式为：

第5.1节汽车轻量化设计概述82.轻量化品质因子汽车的轻量化评价指标轻量化品质因子，即在给定的车轮支撑面下有多大的质量才能达到多大的刚度。车身结构的轻结构品质按下式定义：式中，

为骨架重量，单位为

；

为扭转刚度，单位为

为支撑面积（轮距×轴距），单位为

第5.1节汽车轻量化设计概述93.名义密度汽车的轻量化评价指标式中，M为汽车整备质量，单位为kg；名义体积定义为，L为整车长，B为整车宽，H为整车高，G为最小离地间隙。名义密度定义为汽车整备质量与名义体积之比，用名义密度的大小来反映乘用车轻量化的水平，名义密度小的车辆轻量化水平高。第5.1节汽车轻量化设计概述104.质量利用系数汽车的轻量化评价指标

载质量利用系数是汽车装载质量与整备质量的比值，是衡量载货汽车轻量化水平的重要参数。在装载质量和使用寿命相同的条件下，载质量利用系数越大，表明该车型的结构和制造水平就越高。第5.1节汽车轻量化设计概述11下一节第5.1节概述本节内容结束12

本小节的教学重点内容：本小节主要通过介绍汽车轻量化材料、新型功能导向材料来介绍汽车轻量化材料选择的依据与方法。第五章汽车轻量化设计第5.2节汽车材料轻量化设计返回目录13一、材料选择依据汽车的轻量化设计第二节汽车材料轻量化指标轻量化设计的效果很大程度上取决于材料选择的正确与否。对于车身不同的部分，材料选取的要求也是不同的，从而在满足成本、工况和轻量化的要求。覆盖件要满足美观、耐腐蚀、易涂漆、抗冲击、易修复、防雷击（低导电性）、隔声、隔热、密封性好的要求；对寒冷或高热地区使用的车辆，还必须具备低导热性、低热膨胀系数、抗高温老化和低温脆断等；对非承载、形状复杂的零件要满足成型要求；对于冲击吸能区零件（如保险杠外罩、横梁、前纵梁、车门、仪表板、头枕等），则要有很好的吸能特性。从节能与环保角度，所有材料最好都具有较低的密度，以减轻车辆重量。14材料钢合金铝合金镁合金钛合金PA6GFKCFKAFK比密度7.852.71.744.51.152.251.51.3221070451102.539120317004003001000801150170012500.130.370.580.220.870.440.670.76比刚度26752593258624442171767815623948.914.817.222.26.9652.1115.596.5表5-1几种不同轻量化材料的特征值的评估第二节汽车材料轻量化指标

此处的比容积的值越大，其体积越大。比刚度值则表示了抵抗变形的能力15性能品质系数木材铝合金钢GFKCFKAFK静态强服拉-压1.3510.67.653.456.39纵向刚度-拉、压0.9311.030.673.090.91抗剪强度-扭转11.060.321.110.15杆的弯曲刚度0.9611.020.821.760.95平板的翘曲刚度和抗弯刚度0.9711.010.871.460.97弹性能量吸收能力0.4712.089.142.2919.78冲击韧度0.2012.500.750.200.20振动强度R=-1，N=1061.2011.301.702.803.20表5-2以铝为标准采用品质指数评估典型设计材料的轻量化适宜度第二节汽车材料轻量化指标16二、汽车轻量化材料汽车用钢按力学性能（抗拉强度和屈服强度）来分：低强度钢：<210MPa高强度钢：210MPa~550MPa，超高强度钢：>550MPa。（1）高强度钢汽车的轻量化设计第二节汽车材料轻量化指标17按照冶金学的分类：低强度钢：高强度钢（CHSS）：包括CMn钢、烘烤硬化（BH）钢、高强度IF钢和高强度低合金钢(HSLA)；先进高强度钢（AHSS）：双相（DP）钢，相变诱导塑性（TRIP）钢、复相（CP）钢、马氏体(MS)钢、孪晶诱导塑形（TWIP）钢和第三代汽车钢（中锰钢、QP钢、热冲压PHS钢）。汽车的轻量化设计第二节汽车材料轻量化指标18汽车的轻量化设计第二节汽车材料轻量化指标图5-1高强度钢在汽车中的应用比例钢材在汽车上的应用还是处于主导地位，而且AHSS钢的生产和应用非常普遍，AHSS钢目前已经成熟地应用在A、B、C柱加强件、车顶横梁/纵梁、窗框、前后部顶梁、座椅导轨、座椅骨架、保险杠加强件、车门防撞梁等零件中。19变形方式典型零件重要性能几何与材料关系式大塑性变形保险杠、加强板、门防冲击板、边梁加强筋高吸能、高压溃强度小塑性变形车顶盖、门外板、行李箱盖板高的压痕抗力小弹性和塑性变形车边梁、横梁高模量

小弹性变形边梁高疲劳强度表5-3汽车上不同部位起不同作用的高强度钢板的选用方法第二节汽车材料轻量化指标20部位性能要求材料选择外板高冲压成形、低回弹、良好的形状冻结性、高的抗凹陷性、耐腐蚀、合理的表面外貌和粗糙度、对油气的附着能力强、失效稳定性好BH钢内板高冲压成形性、低材料屈服、高成形极限、高结构刚度、高结构强度、良好的焊接性能、失效稳定性、良好的尺寸精度IF钢和超IF钢结构件高冲压成形性、低材料屈服、高延展性、烘烤硬特性、高结构刚度、高结构强度、良好的焊接性能、失效稳定性好DP、CP、TRIP、TWIP、Mart钢表5-4车身用钢其性能要求和候选材料第二节汽车材料轻量化指标21（2）铝合金

铝在汽车轻量化领域的应用十分广泛，包括:动力总成、底盘和车身，车身降重潜力非常巨大。

铝合金材料的强度与钢铁的强度相当，铝合金的密度仅为钢铁的1/3，吸收冲击的能力是铁的2倍，导热性能为铁的3倍。与其他材料相比，其轻量化效果、耐腐蚀性和回收利用性都很好。第二节汽车材料轻量化指标22（2）铝合金

铝合金在汽车中应用的形式:铝合金铸件:空间框架的连接件采用真空压铸铝铝合金锻件:用于制造多种零件铝合金挤压件:保险杠加强筋采用挤压型材、车身框架的盒形断面梁一般由铝挤压成型、覆盖件的加强板采用挤压铝型材铝合金板材:板状保险杠采用板材冲压成形第二节汽车材料轻量化指标23（2）铝合金奥迪A8“空间框架结构”第二节汽车材料轻量化指标泡沫铝结构（蜂窝铝）的应用24（3）镁合金

镁是汽车应用材料中最轻的结构金属，密度低于铝、钢。

与传统铸铝合金相比，镁具有低密度、合理强度和应用适应性的优点。

镁合金常作为铸件、挤压件或板件应用，延展性是铝合金的3倍，比铝更适合于作碰撞吸能部件。

镁应变率敏感，其强度随加载速度的提高而增大，在动载荷下会比静载荷吸收更多的能量，因此用镁金属构件承受碰撞载荷可以提高整车的耐撞性能。第二节汽车材料轻量化指标25（3）镁合金缺点：由于镁具有650℃低熔点和元素活泼性的特点，镁合金在熔解状态下非常活跃，与铝相比，抗疲劳、蠕动性、耐电偶腐蚀性都欠佳；制造主要危险是燃烧，如对其进行机加工和磨削时，以及镁合金焊接时，如果热熔金属与空气接触会产生燃烧危险；从使用过程上看，镁制件防电化学腐蚀是一个大问题。第二节汽车材料轻量化指标26（4）复合材料

汽车用非金属材料包括树脂基复合材料，根据增强体和基体材料不同分为多种类型增强基复合材料。在汽车行业，习惯上把这些树脂基复合材料简称为“复合材料”。常用于乘用车空气导流板、发动机罩、装饰条、保险杠、翼子板、脚踏板、面罩等、驾驶室壳体等典型零部件。

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有较好的韧性和抗拉强度，其密度低，拉伸强度超过铝合金的3倍，接近超高强度钢的水平。碳纤维的应用可使汽车车身减轻质量30%—60%。但其成本过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用仍然有限，仅在一些F1赛车、高级乘用车、小批量车型上有所应用。第二节汽车材料轻量化指标27材料拉伸强度/Gpa拉伸模量/Gpa相对密度g/cm3比强度/Gpa比模量/GpaE-glass3.5722.61.3528CarbonFiber3.02351.751.71134Kevlar493.91311.442.791HSS1.3210.07.870.17--表5-5常见纤维的力学性能与HSS比较第二节汽车材料轻量化指标28下一节第5.2节汽车材料轻量化设计本节内容结束29

本小节的教学重点内容：轻量化结构设计是实现汽车轻量化的重要途径之一，下面对结构轻量化设计要遵循的原则进行介绍。第五章汽车轻量化设计第5.3节汽车结构轻量化设计返回目录30一、结构轻量化设计原则第5.3节汽车结构轻量化设计轻量化结构设计是实现汽车轻量化的重要途径之一，也是轻量化汽车产品开发的基础和前提。31第5.3节汽车结构轻量化设计1.尽量直接的力导入与力平衡

设计中应使受力直接导入到主承载结构上

偏转或者回转设计通常会由于其复杂的应力状态而产生更高的载荷，导致几何尺寸更加复杂、自重增加32第5.3节汽车结构轻量化设计1.尽量直接的力导入与力平衡

总的原则是，设计结构或型材应是封闭的。

应尽量将不对称的设计改为对称的设计，可利用结构内部力平衡。

一个闭口型材比开口型材可承受更高的载荷（约30倍）。而产生的变形则小得多(约1/300)图5-3支承结构与截面的典型力平衡问题33第5.3节汽车结构轻量化设计2.尽量大的面积惯性矩与阻力矩在承受弯曲、扭转和压弯载荷的设计中，应在尽可能小的面积上实现大面积惯性矩与阻力矩。

空心型材的面积惯性矩通常比实心横截面的面积惯性矩高出很多。

采用适当的形芯结构，结构化形芯的抗弯刚度要比均匀化形芯的抗弯刚度高出大约4倍。图5-4大剖面形状因子的横截面34第5.3节汽车结构轻量化设计3.轻盈的结构

通过松散的构造，可大大地加固小横截面面积的平面支承结构。带有加强肋的或下弦杆的支承结构、三明治结构的刚度比实心的支承结构的刚度要高出很多。

可通过加强肋或下弦杆加固的平板、网格板和疙瘩板实现结构的轻量化设计。图5-5用肋或横梁来增加板的刚度35第5.3节汽车结构轻量化设计4.利用曲率的自然支承作用

可通过预弯曲设计提高直盘或直板的抗弯刚度、压弯刚度和翘曲刚度，因为这种设计增加了面积惯性矩，消除了不稳定的趋势。

图5-6通过预弯曲的构件提高支承载36第5.3节汽车结构轻量化设计5.在主承载方向进行有针对性的加固设计

有针对性地引入正交各向异性或者各向异性设计可提高构件在确定方向上的刚度。

利用设计或者材料力学上的各向异性，可提高结构的承载能力和不稳定极限图5-7有针对性地加强刚度的构件37第5.3节汽车结构轻量化设计

可以通过不同的板材厚度（如拼焊板与拼焊管）来增加刚度，如采用激光焊接的方法将不同厚度与质量的板材焊接在一起，并一起加工成形，通过这种方法可加工出空心型材（如液压成形）与大的平面构件。如图5-8所示图5-8在轿车车轮外罩壳上通过板厚变化和几何尺寸的配合的平面加固方式38第5.3节汽车结构轻量化设计6.优先遵循集成化原则

轻量化设计结构应由尽量少的构件组成。

采用这种方法的优点是可以节省材料、提升结构的安全性能、减少加工量，但模具的成本会更高图5-9将多个单一构件集成为整体式结构件39第5.3节汽车结构轻量化设计7.引入空腔结构

为了保证在刚度不变的条件下减轻重量，可以在承受较小载荷的区域引入“释放孔”图5-10通过在腹板上开孔或者采用带孔的板实现轻量化横截面40挖掘潜力的安全前提条件：1)对力的准确了解，包括力的大小与方向；2)采用规格可以得到确实保障的高价值材料；3)应用准确的计算方法，如有限单元法等；4)对结构的几何尺寸进行优化分析，如尺寸参数优化，拓扑优化等；5)还要确保对设计细节进行有针对性的先期试验。第5.3节汽车结构轻量化设计8.充分挖掘设计的潜力只有在确保安全的前提下，才可以考虑实现极限轻量化。41下一节第5.3节汽车结构轻量化设计本节内容结束42

本小节的教学重点内容：本节从工艺角度来介绍汽车轻量化设计的技术。汽车工业轻量化设计有哪些方面？它们又各自有哪些方法？第五章汽车轻量化设计第5.4节汽车工艺轻量化设计返回目录43一、轻量化制造技术第5.4节汽车工艺轻量化设计轻量化制造技术是产品实现轻量化的重要因素之一，汽车零部件的模块化、薄壁化、空心化发展趋势，对工艺技术提出了新的挑战。目前采用激光拼焊技术将多个零件简化为一体化结构、采用新的连接技术减少焊料质量、采用管件液压成形、不等厚板轧制及超高强度钢的热成型技术等实现结构轻量化的先进制造技术，与传统的冲压工艺相比，这些先进制造工艺在减轻重量、减少零件数量和模具数量、提高刚度与强度、降低生产成本等方面具有明显的技术和经济优势。441.薄板与薄壁管的轻量化成形技术从结构力学的角度来看，由管组成的空间结构是理想的结构，产生局部不稳定的可能性更低，并具有最高的抗扭刚度；绝大多数的管是由板材经过滚轧和连接加工而成，常用的工艺主要有拼焊管、液压成形、热成形、空心轴圆锻造、轴向成形等。第5.4节汽车工艺轻量化设计超过90%的轻量化结构都是薄壁结构，因此板材的加工（冲压、弯曲、深冲）工艺非常重要。与铸造与注射模塑等方法相比，板材成形方法及加工出的产品具有高承载性、可连接性以及构件的可修复性等优点。薄板成形常用的方法有拼焊板深冲、补丁技术、柔性变截面辊轧板，热冲压成形、电镀辊轧等工艺。45第5.4节汽车工艺轻量化设计(1.)热冲压成形技术高强度钢板的热冲压成形工艺的基本流程是：落料-预成形-加热-冲压成形-去氧化皮-激光切边冲孔-防锈处理，并在冲压成形和保压定形阶段同时进行板件淬火。热冲压成型的超高强度车门防撞梁结构热冲压成型技术是目前最新的一种冲压技术，主要应用于高强度钢板的成形，可获得高强度的一些工业零件，并且它的强度基本上都可以达到1500MPa以上。除此之外，热冲压成型技术是在高温条件下进行的，因此对于高强度钢板的回弹较小，冲压成型所需要的压力较小，且精准度高，能够最大限度的满足汽车工业对于舒适以及安全性的要求，逐渐成为汽车制造领域中的热门技术。46第5.4节汽车工艺轻量化设计(2.)液压成形制造技术

管件液压成形是将管坯放入模具内，利用高压液体充入管坯空腔，同时辅以轴压补料，使其直径胀大至贴靠凹模的成形过程。

液压成形适用于汽车领域的沿构件轴线变化的圆形、矩形截面或各种异形截面空心构件。47第5.4节汽车工艺轻量化设计(3.)辊压成形技术

辊压成形工艺通过顺序配置的多道次成形辊轧，把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲，以制成特定断面的型材。

辊压成形的优势在于能够加工其他工艺无法实现的复杂形状。482.铸造成形技术

铸造是一种使熔融的金属流入铸型并使其固化，从而得到铸型的外形的工艺。铸造可以得到复杂的内外几何结构而降低零件的成本，减少所需的装配工作量和接近最终形状的零件。但由于固化的金属内存在大规模缩孔和夹杂物，铸件的力学性能通常会低于锻造金属件第5.4节汽车工艺轻量化设计49第5.4节汽车工艺轻量化设计(1.)高压铸造成型技术

高压铸造（HPDC）是铝合金与镁合金件常用的一种工艺，优势在于其可高效率生产集成设计复杂薄壁构件的能力。50第5.4节汽车工艺轻量化设计(2.)低压铸造成型技术

低压铸造（LP）系统是依靠最高0.08MPa的压力将熔融的金属送入铸型内的一种铸造工艺。

低（差）压铝合金铸造件的优势在于获得较高工艺品质的同时，可以生产一体化设汁的中空、薄壁、复杂构件，达到了较好的轻量化和提高车辆驾乘性能的效果。513.复合材料成型技术

为解决传统注塑和模压成型低效率高成本和高能耗等工艺缺点，目前有短流程、高效率、低能耗和低成本的丁长纤维增强热塑性复合材料直接在线模压成型（LFT-D)技术，包括在线注射成型工艺(LFT-D-injecting)和在线模压工艺(LFT-D-molding)。在线注射成型适用于制造小型件和复杂零部件，在线模压成型一般用于尺寸较大、形状简单的产品。长纤维增强热塑性复合材料在线模压产品现已广泛地应用于后背门内板、仪表板骨架、前端模块、底护板、备胎舱支架、发动机气门室罩盖、油底壳等汽车关键零部件。第5.4节汽车工艺轻量化设计52二、轻量化连接技术1.液相焊接技术

液相焊接的操作过程是，将待连接的两种材料的局部加热到熔融，并对他们加压力，形成熔接，然后再继续加压力的情况下，将熔接的液相材料冷却，从而形成连接点。汽车工业中常使用的液相焊接方法是电阻点焊、电弧焊、激光焊接等，在此主要介绍电阻点焊和激光焊接。第5.4节汽车工艺轻量化设计53第5.4节汽车工艺轻量化设计(1.)电阻点焊

电阻点焊是一种对搭接焊件施加大电压大电流利用电流通过时焊件本身电阻各接触表面间的接触电阻产生的焦耳热进行焊接的连接方法

该方法具有焊接时间短、生产成本低、无额外增重、不会增加材料回收困难等优点，适合于大规模自动化生产，是目前钢制车身装配过程中应用最广泛的连接工艺。54第5.4节汽车工艺轻量化设计但铝合金电阻点焊存在诸多问题：1.铝合金具有良好的导电性和导热性，对其进行电阻点焊需要进行硬规范；2.对焊接设备的要求很高，铝合金表面容易形成致密氧化膜；3.铝合金焊点强度相对较低，铝合金点焊一般用于非承载部件的连接是电气与焊件之间的连接。电阻点焊还可用于铝合金，并已经用于连接铝板，目前主要应用于车身覆盖件，车门内外板、发动机舱盖等。55参数钢板（无镀层）镀锌钢板铝板（无镀层）焊接时间/(s)7-109-123电流/kA7-109-1118-23受力/kN1.9-2.62.2-2.94.1-5表5-6钢板和铝板的电阻点焊参数第5.4节汽车工艺轻量化设计56第5.4节汽车工艺轻量化设计(2.)激光焊接激光焊接是一种利用高能量密度的激光作为焊接热源进行焊接的焊接方法。激光焊的焊缝非常整洁、坚固，使多余材料用量降至最少，为综合利用多等级钢板提供了制造与装配的重要技术保障。

激光拼焊版可以用最少的材料达到对强度、耐撞性、抗凹陷强度的性能优化，也可以减少关键部件的数量及简化装配工序。用拼焊版冲压或者液压成型制作的完整部件，在整体上可起到降低净成本和显著提高部件性能（如重量、刚度、强度等）的作用。

除了在钢材上有应用，目前在铝合金、镁合金、异种材料上均有激光焊接的应用。57二、轻量化连接技术2.固相焊接技术

固相连接最大的特点是连接过程中没有融化再凝固过程，连接完成后接头处力学性能与母材相当，避免了熔化焊中容易产生的热影响区缺陷。

固相连接最主要的类型是摩擦焊，又包括：旋转摩擦焊、线性摩擦焊、搅拌摩擦点焊、搅拌摩擦缝焊等。第5.4节汽车工艺轻量化设计58第5.4节汽车工艺轻量化设计其中：搅拌摩擦焊是汽车工业常用的连接技术，有用于连接铝合金或钢-铝异种金属连接。目前搅拌摩擦焊在新能源车辆的电池包铝合金壳体制造上已被广泛采用。59二、轻量化连接技术3.机械连接技术

在汽车工业中螺栓和螺母的传统机械连接方法因装配速度太慢，使用的较少。近年随轻量化技术的发展，多材料连接技术迅速发展，在此介绍无铆连接、自穿刺铆接和流转螺钉连接等多材料快速机械连接技术。第5.4节汽车工艺轻量化设计60第5.4节汽车工艺轻量化设计(1.)无铆连接

无铆钉连接（Clinch），也叫冲铆。是一种在压力作用下板件局部变形形成机械自锁的双面机械连接方法。在凸模压力作用下，板件产生拉伸塑性变形并逐渐接触到凹模底部，此后凸模继续下行，材料发生塑性流动并填充凹模，达成两板相互咬合状态形成连接接头，如图所示。图5-11无铆连接工艺过程61第5.4节汽车工艺轻量化设计

无铆钉连接技术具有多重优点：连接接头外观质量好且无表面损伤、连接过程中板间无热变形、长期使用成本低以及不会发生额外增加质量。其缺点也比较明显：无铆对铆接工艺要求较高、对板材的厚度组合有限制、连接成功率比自穿刺铆接低、静强度低。

其缺点也比较明显：无铆对铆接工艺要求较高、对板材的厚度组合有限制、连接成功率比自穿刺铆接低、静强度低。目前在多种轻量化车身设计中得到应用，由于无铆接头强度较差，主要用于非承载部件的连接，62

原点模SKB模铆钉规格

上下板总厚度/mm

1.0-3.01.6-6.00.4-2.50.6-5.0表5-7常用无铆连接的铆模和厚度范围第5.4节汽车工艺轻量化设计

63第5.4节汽车工艺轻量化设计(2.)自穿刺连接自穿刺铆接(Self-PiercingRiveting，SPR)也叫锁铆铆接，是一种使用实心或半空心铆钉连接两层或多层板材的冷成型双面连接工艺。其中，使用半空心铆钉的自穿刺铆接技术在汽车板材连接中得到大量应用。连接时在凸模压力的作用下半空心铆钉穿透上层板材之后继续下行刺入下层板材，而后铆钉尾部的中空部分在下板内扩张，在不刺穿下板的前提下形成机械自锁。64第5.4节汽车工艺轻量化设计自穿刺铆接的连接过程可分为定位、夹紧、送钉、刺穿、变形、成型等几个阶段。自穿刺铆接工艺过程1-被连接工件2-预夹紧工装3-上模4-下模5-自穿刺铆钉定位夹紧送钉刺穿变形成型65第5.4节汽车工艺轻量化设计近年来，随着钢-铝混合结构的大量应用，自穿刺铆接已经成为电阻点焊技术的强有力的竞争者，在电阻点焊技术相比，自穿刺铆接结束的优点包括：可用于连接焊接性能差的材料、含涂层材料及异种材料；可用于连接多层板材；不散发烟雾和热量，噪声低；符合环保要求能量消耗低。除此之自穿刺铆接工艺连接，快速接头强度高，无需冲孔，冲、铆一步完成，适合于汽车车身制造大规模自动化生产。图5-15多层板连接的自穿刺铆接图1-不锈钢板，2-非金属夹层，3-不锈钢板，4-中碳钢板66第5.4节汽车工艺轻量化设计自穿刺铆接技术是目前钢-铝混合车身以及全铝车身装配时采用的最主要的连接工艺，例如某白车身上包含1847个铆点。自穿刺铆接技术与无铆连接在发动机盖上的应用，如图所示。无铆连接与自穿刺铆接在发动机盖上的应用67第5.4节汽车工艺轻量化设计(3.)流转螺钉连接流转螺钉连接（FDS）工作时先低转速地压力与板件表面接触，之后板件在流转螺钉的高转速高压力作用下产生塑性变形（“流”前期），流转螺钉在板件上钻出柱形通孔（“流”中期），板件被流转螺钉转破，转速及压力降低，使流转螺钉可以在孔内自宫螺纹（“流”后期），之后正常螺钉拧紧过程，板件冷却并与流转螺钉贴合形成一个气密性和水密性极高的连接，如图所示。图5-16流转螺钉连接工艺68二、轻量化连接技术4.胶粘接技术

粘接是指相同或不同材料的表面在粘接剂的作用下，通过界面力结合在一起的状态粘。

不同材料的连接如，其在腐蚀和疲劳方面都有较好的表现。

接续性的粘接会给整体车身刚度和舒适性带来很大提升，同时重量代价却不是很高。第5.4节汽车工艺轻量化设计69多材料轻量化车身结构中大量采用结构胶粘接技术，且该技术常与点焊、Clinch、SPR、FDS等点连接技术配合使用。在对零件实施粘接以前零件由原始板材经过热处理、表面处理、冲压成型等步骤。对不同零件实施粘接之后，为了防止在碰撞高载荷的作用下发生粘接剥离，在高应力区域一定要加机械紧固件连接，如使用点焊、螺栓连接等。而后续经过子结构装配、白车身装配并最终对实施烘烤固化已完成稳固连接。第5.4节汽车工艺轻量化设计70下一节第5.4节汽车工艺轻量化设计本节内容结束71

本小节的教学重点内容：汽车结构优化方法有哪些？多学科优化设计有哪些，是怎样进行的？如何进行材料-结构一体化设计？第五章汽车轻量化设计第5.5节汽车结构轻量化优化设计返回目录72

轻量化优化设计主要包括结构优化、材料优化、工艺优化和多学科优化方法。

结构优化主要通过调整汽车结构的尺寸、形状、形貌以及拓扑结构来优化结构性能与质量。

材料优化主要指通过汽车材料选型，实现多材料混合，在结构中的合理分布。

工艺优化主要包括连接工艺、拼焊板、变厚度板、液压成形等工艺在汽车设计中的合理运用。

多学科优化方法是解决多个学科性能冲突的主要手段，他主要基于多学科优化设计理论，融合多个学科工程问题，将数学算法、求解策略数据分析与管理集成于一体，考虑子学科、耦合变量等耦合作用，研究交互影响现象之间的协同作用，以尽可能高的效率求得整体最优解。第5.5节汽车结构轻量化优化设计73一、结构轻量化优化设计1.尺寸优化

尺寸优化是应用最早，也是应用最成熟的一种汽车轻量化技术。它一般以汽车零部件的尺寸（如冲压件壁厚、梁截面尺寸、减重孔的尺寸等参数）为设计变量，以不同工况下的刚度、强度、振动、吸能等为约束条件，以结构质量最小为目标函数构建优化模型。第5.5节汽车结构轻量化优化设计74第5.5节汽车结构轻量化优化设计例题5-1汽车车门结构由玻璃、塑料和钢三种材质组成，设计时考虑以下因素：为避免车门太重引起对车门相对于其连接铰链的下垂量；避免由发动机或道路载荷振动引起的车门共振，对车门的第一阶频率要尽量高一些。目标函数：整个车门的重量最小化为目标函数；约束：（1）为避免发动机怠速（35Hz）下引起的结构共振，车门一阶模态固有频率大于35Hz；

（2）静载荷作用下门锁在z方向上的绝对位移不大于1.42mm；设计变量：设计范围内的冲压件板厚范围0.5~2.5mm。75第5.5节汽车结构轻量化优化设计分析工况：（1）静态载荷作用下的结构变形工况

在铰链处约束的情况下在门锁z方向施加700N力。（2）车门的约束模态工况

在铰链处约束的情况下计算车门的前5阶固有频率。76第5.5节汽车结构轻量化优化设计经过15循环迭代后，在同时满足车门一阶固有频率和车门下垂量的约束情况下，车门总重量由30.6kg减小到26.3kg，减重达14%。在优化前原始车门单元厚度云图如图5-17（a）所示。经优化后车门单元厚度云图如图5-17（b）所示。图5-17车门单元厚度云图（a）优化前（b）优化后772.拓扑优化第5.5节汽车结构轻量化优化设计拓扑优化是通过改变结构的拓扑关系来重新定义材料在零件上的分配，以使得新设计的零件满足某种或多种性能指标的优化设计方法。主要应用于结构概念设计阶段。目前的拓扑优化方法主要是变密度法，其优化结果只能给出材料分布情况，还需要设计人员进行再设计。因此往往将拓扑优化、形状优化和尺寸优化等方法结合起来应用，才能获得减重效果明显的具有可行性的结构方案。78以汽车悬架控制臂的拓扑结构优化为例：第5.5节汽车结构轻量化优化设计

优化目标函数：应变能最小为目标函数；

约束：设计区间的体积不大于原始的57%；

边界条件：约束B点Z方向自由度；A、C区域X、Y、Z自由度约束；结构底面z轴对称设置；

载荷条件：对B点在X方向施加7000N集中力、Y方向施加-7000N集中力；

设计变量：设计区域中的单元密度图5-18控制臂结构与设计区间图79第5.5节汽车结构轻量化优化设计计算结果如图5-30可见，控制臂在14次迭代循环中设计区域单元被逐渐移除的优化过程，材料的体积逐渐减小到原始状态的57%，而控制臂的应变能逐渐提高。如图5-31所示，优化过程中，控制臂中的部分单元不断被移除。图5-19控制臂应变能与体积迭代过程图图5-20控制臂拓扑结构变化过程图a）原始状态b）3个循环后剩余77%体积

c）7个循环后剩余66%体积

d）10个循环后剩余61%体积

e）14个循环后剩余57%体积80二、多学科优化设计

随着现代优化设计理论的发展以及结构分析能力和手段的不断完善，汽车结构轻量化优化设计的研究已从单一准则减重优化发展到考虑结构强度、刚度、耐撞性、NVH性能和耐久性优化在内的多学科和多目标优化设计。第5.5节汽车结构轻量化优化设计

常用的多学科优化设计（MultidisciplinaryDesignOptimization，MDO）计算方法有多学科可行法、单学科可行法、一致性优化法、并行子空间优化法、协同优化法、两级集成系统综合法、目标分流法等81第5.5节汽车结构轻量化优化设计

例题5-2采用协同优化算法进行分析齿轮减速器结构优化，为齿宽系数；为齿宽模数；小齿轮的齿数，，为轴承间距，单位cm

，

为轴的直径，单位cm

，如图5-32所示。图5-21减速器结构图82第5.5节汽车结构轻量化优化设计其优化数学模型如下：83第5.5节汽车结构轻量化优化设计原问题分解为以下三个学科：84第5.5节汽车结构轻量化优化设计进行系统目标函数构造，从各学科中选取只包含耦合变量的约束作为约束系统条件，建立系统级数学模型如下：基于优化设计软件，采用协同优化算法建立减速器多学科优化模型，系统层经过19次迭代计算。学科层经过110次迭代运算，系统层变量收敛于，得最优解