電動汽車車身輕量化設計的案例
【技術帖】基于有限元分析的某電動汽車車身輕量化設計
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引言
輕量化技術是一種降低尾氣污染物排放的技術路線，在保證汽車整體各項性能的前提下，對汽車進行輕量化，可以有效降低汽車的質量，節省能源，減少尾氣排放。根據相關資料顯示，國外的乘用車和商用車在輕量化方面每10 年平均降質10%，整備質量的輕量化在未來依舊會降質20%，而我國在乘用車和商用車兩方面的輕量化研究都比較少，整備質量比國外同類型車的整備質量高10%～15%。電動汽車在國家政策的支持下蓬勃發展，以輕量化技術推動電動汽車協同發展是未來電動汽車發展的趨勢之一。
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有限元法簡介及仿真
1.1 有限元法簡介
有限元法是一種高效能、常用的計算方法。有限元的核心思想是結構的離散化。有限元方法解題步驟可歸納如下：
（1）結構離散化。將模型離散為若干相互連接、不重疊的單元。
（2）確定單元基函數。選擇合適的插值方式作為單元的基函數。在有限元分析中常用的有2種插值方式：位移法和混合法。位移法計算簡單，采用節點位移為未知量。混合法基本未知量有節點力和位移構成。采用位移法計算，就是利用節點位移來表述單元的位移、應力和應變。單元內任意一點的位移都可以用式（1）計算
（3）單元分析。
展開 汽車車身輕量化設計的技術困境
在基于仿真驅動的汽車研發技術2.0下，主機廠整車開發普遍深陷的技術困境是“低成本、短周期、高性能、輕量化”四個項目終極目標兩兩之間的相互牽制和相互沖突，其中，主要矛盾是不斷嚴苛的汽車排放法規及不斷增加的電動化續航里程所產生的輕量化技術需求，與不斷提升的產品競爭力需求所產生的汽車研發制造低成本要求之間的矛盾。
在汽車研發技術2.0的技術困境中，技術問題只是一個次要方面，核心問題在于跨專業的技術溝通與協調。每一個技術決策需要同時滿足所有技術部門的專業技術要求，即每個部門對技術方案擁有“一票否決”權，特別是設計邊界高度復雜的車身工程開發。
為什么說在技術2.0下玩不轉車身輕量化？假設每個專業部門都絞盡腦汁的投入車身輕量化設計，并且每個部門拿出十個在本專業內效果非常理想的改進方案，提供給項目組討論和決策，一般結果是：本部門花了九牛二虎之力制定的絕大部分方案將直接陣亡，自信心受到巨大打擊。以下通過換位思考，分析技術方案被否定的四種情況。
第一，沒有考慮到某個技術專業常識性判斷，結果是一旦被指出技術方案的專業性問題，方案提出部門的技術判斷能力會立馬減分。
第二，考慮到了其它專業的實施條件，但需要某個技術專業的配合，意味著相關部門的技術工作量增加、難度增加、風險增加，配合與不配合對自身部門一個樣，結果是直接夸大本專業的技術實施難度。
第三，考慮到了需要其它技術部門配合的技術實施難度是可以克服的，結果是相關部門本著“多一事不如少一事”的想法，直接說非常樂意配合，但是人手不夠、資源不足，需要項目組協調。
第四，不需要其它部門配合，本部門直接可以搞定，那就不需要拿出來討論了，拿出來的目的是浪費其它部門的時間。
展開 電動汽車車架的尺寸優化暨輕量化設計
某電動車公司推出一款微型電動車，適用于保衛、觀光、代步和運輸等多種用途，該車經有限元分析表明，仍具有一定的輕量化設計空間，通過減輕車架質量，一方面降低成本，另一方面也可提高電動車的續航里程。電動車車架如圖1所示。該電動車為脊梁式結構，中部為電池框，前軸和后軸分列電池框前后。該車架采用Q235矩形鋼管，初始整備質量（含兩名乘員150Kg）653Kg。
圖1 車架示意圖
1.有限元建模
使用Hypermesh建立車架的有限元模型，為滿足車輛行駛狀態下的極端工況要求，分別設置彎曲和扭轉兩個工況，動載系數參考相關資料設置為2.5和1.5.
選擇以所有的桿件的橫截面寬度和高度為設計變量，為滿足制造要求，對對稱件和相關的桿件進行尺寸關聯，保證優化過程中桿件間尺寸一致，設計變量可以選擇連續尺寸，也可以根據廠商所能夠買到的型材進行離散尺寸優化。以質量最輕為目標函數，材料的屈服極限、一階固有頻率、剛度和尺寸為約束。
2.優化結果
經過尺寸優化，在保證彎曲剛度、扭轉剛度和固有頻率不低于優化前的同時，車架質量下降14Kg，減重幅度達到17%。
展開 汽車車身輕量化系數詳解
圖1
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白車身輕量化指數
Li=(L2-L1)/L1
式中，
Li為白車身輕量指數，無量綱；
L1為輕量化設計前的車身輕量化系數，單位Kg/[N·m/(°) ·m2]；
L2為輕量化設計后的車身輕量化系數，單位Kg/[N·m/(°) ·m2]；
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汽車輕量化
在保證汽車安全、剛度、NVH等性能提升或者不降低的前提下，通過結構設計和優化、合適的材料選用、合理的制造工藝等手段來達到整車重量降低，從而來達到節油和減排的工程過程，稱之為汽車輕量化。
行業水平
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ECB會議
EuroCarBody（簡稱ECB）歐洲汽車車身會議，每年10月份在德國舉行。ECB代表著全球汽車車身發展趨勢，近年來一直被譽為車身界的頂級峰會。我們可以從ECB大會的車型輕量化系數，側面看出車身發展的最新水平。
圖2
由于各年度參展車型的品牌與產品定位存在差異，所以車身輕量化系數變化趨勢并非逐年遞減，但總體的趨勢是下降的。
展開 
電動化與輕量化 - 汽車底盤技術的挑戰
大批量生產的中低端車型依然裝配被動鋼螺釘彈簧。對于輕量化汽車來說，復合材料的板彈簧在成本持續下降后，有可能會得到應用。
來源：輕量化技術網
汽車車身輕量化的關鍵工藝制造技術
當前，激光焊接在汽車制造中的工藝應用主要包括3大類型，即：不等厚板的激光拼焊；車身總成與分總成的激光組焊；汽車零部件的激光焊接。這些工藝，都可不同程度地減輕車身重量。
經過幾十年的發展，人們對于激光技術的了解以及認知程度變高，其也從最初的軍事領域逐步擴展到現代民用領域，而激光焊接技術的出現進一步拓展了激光技術的應用范圍，代替傳統的焊接工藝，作為重要的一個加工技術，是汽車輕量化路上的得力助手。
總結
目前，我國在汽車車身輕量化的材料上，已經出現了明顯的多元化應用趨勢，單一的車身材料已無法滿足當前車身所需的強度及剛度，因此，在汽車車身的未來發展中，其輕量化材料會實現多種材料的組合制造，并在車身工藝制造技術上，會主要控制工藝材料的使用量，并開發可回收材料，使汽車車身達到輕量化要求的同時也具備低耗能的優勢，有效提高材料的利用率，利用各項技術提高車身的安全系數，完善傳統工藝的不足之處，以此實現汽車車身輕量化的生產目標。
展開 普通乘用車白車身輕量化設計方法
1.前言
本技術規范按照GB/T1.1-2010《標準化工作導則 第一部分：標準的結構和編寫規則》要求起草。本技術規范針對白車身輕量化設計要求，對普通乘用車白車身的輕量化設計方法進行了規范性的規定和說明，對普通乘用車白車身輕量化設計起引導作用，為不同車型的普通乘用車白車身的輕量化設計提供一種通用的方法，類似車型也可參照執行。
2.要求
2.1 一般要求
2.1.1 基于正碰的白車身結構輕量化設計
按照國家標準GB11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》，進行基于正面碰撞的白車身結構輕量化設計時，只考慮白車身結構的抗撞性評價指標如前端壓潰量、白車身吸能量、防火墻侵入梁和B柱加速度等，不考慮車內假人的傷害指標。
2.1.2 基于側碰的白車身結構輕量化設計
按照國家標準GB20071-2006《乘用車側面碰撞的乘員保護》，進行基于側面碰撞的白車身結構輕量化設計時，只考慮白車身結構的抗撞性評價指標如側面壓潰量、白車身吸能量、B柱加速度等，不考慮車內假人的傷害指標。
2.1.3 基于偏置碰撞的白車身結構輕量化設計
按照國家標準GB/T20913-2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護》，進行基于正面偏置碰撞的白車身結構輕量化設計時，只考慮白車身結構的抗撞性評價指標如前端壓潰量、白車身吸能量、防火墻侵入量和B柱加速度等，不考慮車內假人的傷害指標。
3.設計方法
3.1 白車身有限元建模
3.1.1 網格劃分
輕量化設計時對白車身的網格劃分，主要用四邊形殼單元、三角形殼單元、焊點單元、剛性單元來模擬，單元的平均尺寸不超過5mm。
3.1.2 單元質量控制
白車身有限元網格劃分時單元質量控制標準如表5-1所示。
展開 基于概念設計的汽車輪轂輕量化設計
摘 要：為達到汽車輪轂輕量化目的，在汽車輪轂的概念設計階段對汽車輪轂進行結構尋優。用拓撲優化技術作為概念設計的方法，建立基于變密度拓撲優化方法的汽車輪轂概念設計數學模型；利用ProE三維建模軟件建立某汽車輪轂的三維模型和概念幾何模型；使用Hypermesh前處理軟件建立某汽車輪轂的概念設計有限元模型，然后引用折中規劃法解決多工況問題，在Optistruct結構優化軟件中建立汽車輪轂的優化模型和優化參數；利用拓撲優化技術在hyperworks軟件OSSmooth模塊構建了3種輪轂的創新型拓撲結構，分別將3種不同的拓撲結構導入CAD軟件進行二次設計，對二次設計后的新型輪轂進行有限元分析。結果表明：在滿足材料許用應力的前提下，7輻輪轂相比8輻、9輻以及原輪轂更滿足要求，質量比原輪轂減小12.2%。
關鍵詞：概念設計；汽車輪轂；拓撲優化；輕量化
0 引言
節能減排已成為汽車工業發展的主要方向，汽車輕量化是實現汽車節能減排的最佳途徑，合理的結構設計是汽車輕量化的有效手段。汽車輪轂是汽車的重要部件，在行駛過程中，汽車與地面之間的力和力矩都是由輪轂承受和傳遞，輪轂直接影響汽車的整體行駛穩定性、安全性、可靠性、平順性、牽引性以及外觀形狀，對汽車的整體能源消耗和輪胎壽命有很大影響。我國汽車結構輕量化技術發展迅速，國內很多學者根據有限元仿真技術對汽車現有結構進行了優化，雖然達到了較好效果，但忽略了結構的概念設計階段。
概念設計作為機械產品重要的前期設計階段，很大程度上決定了客戶對產品的功能要求。相對于中后期的結構優化，早期的設計成本更低，設計自由度更高。通過概念設計階段科學的分析計算，建立較為理想的設計模型，減少了設計中后期因為改進需要進行的大量反復修改，既縮短了周期又降低了成本[1-3]。
展開 電動汽車電機懸置框架的安全性能和輕量化研究
②鋁合金材料框架的MPDB碰撞性能優于型鋼材料框架，并且鋁合金框架的整體重量減輕了2.8kg，輕量化效果顯著。
實現減重25% 用于電動汽車的輕量化高速變速箱
在一個“設計、生產用于電動汽車的輕量化金屬-復合材料變速箱”的項目中，CompoTech公司、布拉格捷克理工大學、韓國機械與材料研究院和三洋減速機公司協同工作，減輕了25%的重量，并憑借高振動阻尼而降低了噪聲。
變速箱主體由復合材料與金屬嵌件制成
該項目的目標是，開發用于電動汽車的輕量化高速變速箱，變速箱主體由復合材料與金屬嵌件制成以提供支撐表面。CompoTech公司設計并生產了齒輪箱殼體的上半部分，并正在生產更加復雜的下半部分，同時還開發了強度和疲勞試驗軸。該變速箱殼體和軸由許多零件組成，它們由粘合劑進行粘接。
強度和疲勞試驗軸
為支持變速箱的設計，采用各種類型粘合劑的試驗樣品得到了設計、生產和測試。布拉格捷克理工大學通過試驗和有限元分析，為設計和開發提供了支持。韓國的合作伙伴則提供了變速箱的技術規格，并將完成對變速箱的組裝和測試。
捷克技術局對此提供了財政支持。該項目自2016年開始運行，將于2019年10月結束。
展開 2024第十七屆國際汽車輕量化大會暨展覽會的通知|汽車輕量化
2024第十七屆國際汽車輕量化大會暨展覽會的通知|汽車輕量化
中國汽車工程學會、江蘇省科學技術協會、汽車輕量化技術創新戰略聯盟（以下簡稱“輕量化聯盟”）和揚州市人民政府將于 2024年10月9-11日 在 江蘇省揚州市 國際展覽中心舉辦 2024（第十七屆）國際汽車輕量化大會暨展覽會 （以下簡稱“大會”）
李先生編寫 152/1006/3431
主辦單位
中國汽車工程學會、江蘇省科學技術協會、汽車輕量化技術創新戰略聯盟、揚州市人民政府
協辦單位
江蘇省汽車工程學會、電動汽車產業技術創新戰略聯盟、揚州市人才辦、揚州市科學技術協會、揚州市科技局、揚州市工信局、揚州經濟技術開發區、揚州大學機械工程學院、云江（浙江）汽車技術有限公司
戰略合作單位
中信金屬股份有限公司、育材堂(蘇州)材料科技有限公司、湖北博士隆科技股份有限公司
承辦單位
國汽輕量化（江蘇）汽車技術有限公司、國汽（北京）汽車輕量化技術研究院有限公司、恒興國際會展集團有限公司、中信金屬股份有限公司（車身會議）
支持單位
中國汽車工程學會汽車材料分會、國家新能源汽車技術創新中心、溫州（瑞安）智能汽車零部件工程師協同創新中心、日本汽車復合材料學會、上海汽車工程學會、安徽省汽車工程學會、河南省汽車工程學會、黑龍江汽車工程學會、陜西省汽車工程學會
支持媒體
光明網、中國汽車報、汽車工程、汽車之友、汽車工藝與材料、中國汽車材料網等
展開 
鋁合金在汽車輕量化中的應用：仿真引領汽車設計
近年來，隨著汽車制造商和消費者環保意識的提升，汽車正向著輕量化的方向發展。當車身重量減少 10%，汽車的燃油效率可以提高約 8％。為了實現輕量化設計目標，制造商需要將傳統的車體結構材料和車身材料（例如結構鋼）與更輕質的材料結合在一起。鋁（圖 1）的密度只有鋼的三分之一，具有耐候性強、回收利用率高、易于加工成型、防撞性強等優點，因此成為了極具潛力的汽車輕量化材料。
圖 1. 高壓壓鑄（high-pressure die casting）的鋁合金。
然而，開發混合使用鋼與鋁合金材料的汽車困難重重，其中包括：如何開發低成本的量產技術；如何在部分零件中用鋁質材料替代原有材料，實現多材料裝配；如何降低因電解質（如灑在道路上的除冰鹽）導致的相互接觸的異種金屬間產生電偶腐蝕的風險（圖 2）。
圖 2.上：經過一年在役暴露實驗后，由碳纖維增強聚合物（carbon-fiber-reinforcedpolymer，簡稱 CFRP）和6000系列鋁合金制成的多材料疊加式裝配制成的車身上的電偶腐蝕情況。下：用于車輛運行測試的汽車樣件常見安裝方式。
Danick Gallant 是加拿大國家研究院（NRC）汽車和地面運輸研究中心（Automotive and Surface Transportation Research Center）的技術主管，負責腐蝕控制技術以及耐腐蝕部件和裝配的研發工作。在工業領域的應用中，單焊縫連接會涉及多種腐蝕問題，例如縫隙腐蝕和電偶腐蝕（圖 3），這就給汽車行業帶來了巨大的挑戰。NRC 及其合作伙伴 ALTec 多客戶鋁技術研發合作集團（圖 4），共同致力于推動鋁合金在輕量化設計中的應用，并為運輸行業提供針對上述問題的技術支持和解決方案。
展開 都在標榜輕量化，那汽車輕量化是否大勢所趨？
由此可見，實現輕量化技術比壓榨發動機馬力更有助提升車輛的性能。
此外，根據歐洲鋁協研究數據表明，若汽車的整備質量降低10%，除了可以使燃油效率可提供6-8%，0-60km/h加速時間提升8%以外，也可減少大約8%的尾氣排放以及減少5%的剎車距離。所以，使用輕量化技術對汽車市場的發展有重大意義。
怎樣實現輕量化
在現今的汽車市場上，輕量化材料是車企實現汽車輕量化的常用方法。眾所周知，碳纖維、鋁合金熱成型鋼在質量上都比傳統的普通鋼要輕，而且強度與韌度性都顯優勢，以碳纖維為例，其強度是鋼的7-9倍，而且比鋼輕50%。因此，近年來，車企會在汽車的承載白車身、發動機蓋、懸掛等地方換用這些輕量化材質。
新一代寶馬7系的白車身就是采用了鋼、鋁合金以及碳纖維復合材料三種材質來打造車身，相對于上一代車型，車身重量減少了130公斤。此外，在懸掛系統、制動系統的配件上換用鋁合金材質。以全新BMW 740 Li為例，相比上一代車型，百公里綜合油耗降低16.7%。
雖然輕量化材料是車企實現汽車輕量化的常用方法，但并不是唯一。除此之外，在不影響性能和耐用性為前提下，利用輕量化結構也能實現汽車輕量化。
以全新科魯茲為例，借助CAE軟件的計算與實車測試，在設計時去掉那些不起作用反而增重的材料，如在發動機蓋上、車架上等運用減重孔、短凸緣、圓齒凸緣等技術減重，使科魯茲較上代減重120公斤，百公里油耗降至5.7L。
除此之外，先進的工藝也能達到輕量化的效果。就拿常見的輪轂和懸架擺臂來說，其制造工藝對重量有著極大影響。例如鍛造輪圈由于其材料更加致密的原因，輪輻結構更細更薄，重量自然就減下來了。
另外，車身和其他部件的連接工藝也會對車重產生影響。現今大部分車輛都會采用激光焊接的工藝來焊接車身，減少車身上柳丁的使用。
展開 大眾汽車（VolksWagen） 基于HyperWorks的汽車輕量化設計技術
行業：汽車
挑戰：基于復合材料的 B-柱設計
Altair 解決方案：復合材料設計和優化，在滿 足零部件輕量化設計要求的 前提下，盡可能提高零部件 性能
優點：縮短研發周期 ； 結構優化設計
背景介紹
在汽車研發的領域，輕量化設計早已成為整車產品開發的主要潮流。輕量化設 計，意味著更少的材料使用、更輕的車身重量、更少的CO2排放。歸功于使用輕量 化設計技術獲得的新一代車身，汽車成本效率得到了大幅度的提升，同時車輛的可操控性也顯著增強。
通常，在這一領域，新材料的應用是創新設計的主要源泉。近些年來，使用鋁 制零部件取代傳統的鋼制零部件，為汽車企業節約了大量的材料。但是尋找質量更輕、性能更好的材料的研究始終沒有停止。
在最新的研究成果中，復合材料已經在汽車零部件輕量化設計中嶄露頭角。但 是直到最近，復合材料的應用仍然局限于汽車的非承重零部件和非安全相關零部件。
今天，越來越多的汽車廠商開始對復合材料在承重零部件上的應用的可行性進 行探索。因為復合材料的固有特性與金屬材料有很大不同，因此需要一套全新的產品開發流程。
大眾汽車研究中心近期開展了一項研究，其核心目標是在傳統的B-柱設計中引入復合材料材質，以期在合理的制造成本內，獲得質量更輕，性能更好的B-柱設計 方案。這個項目是與Altair公司產品咨詢團隊（AltairProductDesign）合作并運用HyperWorks軟件完成的。
解決方案
大眾汽車復合材料優化設計
大眾汽車對復合材料在汽車承重零部件中的應用起始于某鋁制B-柱結構。該部件使用額外的鋼制及鋁制零部件進行 了加強。
展開 新能源汽車碳纖維復合材料車門輕量化設計
摘 要：以某款新能源汽車的鋼制車門為分析對象，借助HyperWorks有限元軟件，對車門進行靜力學和模態性能分析。以分析結果為參考，采用等質量替換法，建立碳纖維復合材料車門的有限元模型。以復合材料車門質量最小化為目標函數，靜態性能為約束條件，進行了自由尺寸優化、尺寸優化、鋪層順序優化。對優化結果規整后進行性能驗證。結果表明，獲得的優化方案在滿足性能要求的前提下，實現了車門減重48.3%，完成了車門的輕量化設計。
關鍵詞：新能源;碳纖維復合材料;HyperWorks;拓撲優化;輕量化;
0 引言
汽車輕量化是在保證其基本的使用性能、安全性和其成本控制要求的前提下，從結構、材料、工藝等方面，應用新設計、新材料、新技術來實現對汽車整體的減重，以完成汽車向“低能耗”、“低排放”的轉變。材料輕量化是實現車身輕量化設計的主流方向之一。作為車身的關鍵部件之一，車門需要保證足夠的剛度、強度，從而使整車具有良好的安全、振動噪聲和耐久性能。碳纖維增強復合材料以其優異的綜合性能、高比強度和比模量和靈活的可設計性在眾多新型輕量化材料中脫穎而出。碳纖維增強復合材料的密度僅為鋼材密度的20%，鋁合金密度的60%，其應用可以使車身減輕30%～60%[1]，其質量僅為鋼的1/4，強度則是鐵的10倍[2]，是一種理想的輕量化替換材料。陳靜等[3]的研究表明，結構優化后的碳纖維材料電池箱在質量減少的同時，提高了剛度和模態頻率；陳偉[4]將碳纖維材料引入汽車B柱支撐板，在確保碰撞性能的情況下減重55%。商業領域中，碳纖維材料已經大量應用在寶馬、奧迪等量產車型的車身結構中[5]；薛嬌[6]基于傳統金屬材料的汽車B柱，使用等代設計的方法將原有的金屬材料替換成碳纖維復合材料，并在有限元軟件中進行仿真分析。
展開 