车身轻量化设计路径概述

  汽车的轻量化，就是在保证汽车的安全性能和刚强度的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，来提升汽车的动力性，减少能量消耗。尤其是随着汽车电动化，为减少电池重量对整车的影响和增加续航，车身作为一个重量占比较大的总成部件，轻量化设计的基本要求慢慢的升高。在此背景下，各种新材料、新工艺、新方法近些年纷纷应用在车身设计中。下文结合笔者工作经验，对车身轻量化的实现方式来进行简单归纳汇总，供大家参考。

  所以，轻量化的途径都是围绕采用低密度材料、减小零件体积两个思路开展的。为便于查看，对目前的技术实现方案从布置、材料、工艺、结构四个方面归纳如下：

  在实际车身设计过程中，这几方面往往是结合在一起应用，不是割裂开的。例如，目前很多OEM开始批量应用的后地板一体压铸，就是高度集成化设计，材料为铝合金，工艺为真空压铸，在零件设计阶段，通过CAE分析，优化形状、料厚，最终达到最大的轻量化效果。下面以一些成熟案例进行简要说明。

  因为钢板良好的可加工性、低成本等优势，车身的主要材料一直为钢板占据。近些年因轻量化设计以及安全性的需求，能轻松实现更薄料厚、更小截面的高强度钢的应用占比越来越高。

  高强度钢目前没有一个非常准确的定义，而且随技术的进步，其标准也在逐步的提升。下面是两种常见的定义方式。第一种是按照材料的屈服强度和抗拉强度值进行划分，数值越大级别越高。

  欧洲车身会议（ECB大会）对汽车用钢板的分类是按照冶金学的组织类型来分类的，其中不同类别的钢板的力学指标会有交叉，但也绝大多数都是从低到高排列的。

  在满足设计的基本要求的前提下，在不一样的部位应用不同级别的材料，实现最佳轻量化设计是每个工程师的任务。我们大家可以从不同途径找到主流车型的材料分布图（如下），可以从中参考学习。

  热成形不等厚一体式门环，即以1个门环零件取代传统4个不同厚度的冲焊零件。该门环根据不同位置的性能需求，通过激光拼焊技术将4种不同厚度的板料整合，再经热冲压整体成形、激光切割制备而成。不仅通过减少焊接搭接部位面积实现减重，还可通过扭转和碰撞载荷的有效传递，提升车身刚度及碰撞安全防护性能。

  热成形门环的加工工序，大致为落料→拼焊→加热→冲压→冷却→切割→抛丸→校形→检查→包装，其中通过对加热、冲压和冷却具体温度和时间工艺窗口的多轮调整，实现全马氏体组织的转变，并通过抛丸来有效去除氧化皮。下图是展示的落料拼焊完成状态。

  铝合金板材技术日趋成熟，其密度为2.7×10³kg/m³，约为钢材的1/3。但铝板屈服强度和抗拉强度低，弹性模量约为钢的1/3，零件的强度和刚度等性能低，抗凹性差。为保证零件相同性能要求，铝板零件料厚一般较钢板零件增加50%。其轻量化效果明显，成本相比来说较低，故在车身中应用广泛。根据不同工艺路线，能轻松实现全铝车身、或者钢铝混合车身以及部分外覆盖件（如机盖、车门等）。

  零件材料的选用。车身零件的材料应用主要是5系和6系铝合金。5系铝合金因优良的冲压成形性能，能够成形复杂结构零件，但因冲压时及烘烤后，零件表面易产生难以消除的斜纹和波纹等面品问题，不能应用于外板类零件。6系铝合金能够最终靠热处理强化，通过涂装车间烘烤后明显提高零件强度和抗凹性，大范围的应用于外表面类冲压件生产以及车身结构件。前后防撞梁、前后纵梁、门槛梁、座椅横梁等、仪表板骨架、电池包框架等零件系统多采用6系铝合金，如6082、6063、6061、6003、6005等，对碰撞强度要求比较高时多采用6082，对碰撞吸能溃缩变形要求比较高时多采用6061、6063，如防撞梁吸能盒和前后纵梁等。

  铝挤出成型（或铝挤压成型）是对放在模具型腔（或挤压筒）内的铝坯料施加强大的压力，迫使铝坯料产生定向塑性变形，从挤压模具的模孔中挤出，从而获得所需断面形状、尺寸并具有一定力学性能的零件或半成品的塑性加工方法。铝挤压的原理类似于挤牙膏。

  铝型材可根据要求设计出各种封闭的截面，作为车身内受力梁类零件，如侧围门槛、地板座椅横梁等。同时，应用挤压-弯曲一体化加工技术，高性能铝型材也慢慢变得多应用于前后防撞梁，可以大幅度降低零件重量。

  压铸是压力铸造的简称，其是将熔融或半熔融的金属以高速压射入金属铸型内，并再压力下结晶的铸造方法。与传统铸造比较，压铸生产率高，易于实现机械化和自动化，可以生产形状复杂的薄壁铸件，铸件的尺寸精度也比较高。

  在目前的车身一体化压铸的出现之前，前机舱的减震塔、纵梁等已经有压铸工艺，但由于成本原因未实现大范围应用。随着车辆电动化而来的车身轻量化以及生产效率提升要求，在2019年，特斯拉提出了一体压铸的概念，发布新专利“汽车车架的多向车身一体车型铸造机和相关铸造方法”。2020年于电池日宣告Model Y将采用一体化后地板，将70几个零件变成2个。之后各OEM随之跟进，车身一体化压铸开始如火如荼。

  车身一体化压铸究竟有什么优势？我们大家可以从OEM的宣传资料中体会一下。是否很香？

  拓扑优化是一种以材料分布为优化对象，通过拓扑法，找到最合理的材料分布的设计方式。对于大多数人来说，这是一个陌生的名词，但它并不是一个“新东西”，在航空、建筑等领域，拓扑优化是惯用的设计手段。但有必要注意一下的是，尽管不是全新的技术，但拓扑优化的技术门槛相当高。

  拓扑优化（Topology Optimization）：包括连续体结构拓扑优化和离散体结构拓扑优化，前者是从总成的角度，找到有效载荷传递路径、最佳材料分布，提升整体结构性能和结构设计效率；后者是从零部件的角度，局部拓扑，优化材料布局，如开孔数量、大小、位置等。如下两图，分别是白车身整体的拓扑优化和零部件的拓扑优化。

  拓扑优化的方法有变密度法、水平集法、均匀化法、进化式结构优化法、独立连续映射法等，常用的软件是OptiStruct、Genesis等。