車身輕量化的案例
汽車車身輕量化系數詳解
總
結
眼下，輕量化評價指標建立有兩個意義，一是指導企業產品開發設定合理的輕量化目標；二是引導汽車行業向輕量化、節能產品的開發路線。
雖然從車身輕量化系數的分析，我們可以得知很多輕量化方案，但車身輕量化系數僅可作為一個參考指標，而不是一個評判車身輕量化水平的絕對指標。
文中部分內容引用自奇瑞李軍、中信路洪洲、長江熊飛等專家的研究成果，在此表示致敬！
普通乘用車白車身輕量化設計方法
5.3 輕量化效果評價
得到白車身的輕量化系數LBIW和車身本體的輕量化系數應該滿足對白車身和車身本體輕量化目標的要求，如果不滿足要求，可以進一步用高強或輕質材料進行正、側碰安全件替代，然后按照第5和6部分規定的方法重新進行白車身結構的輕量化多目標優化設計，直至滿足輕量化目標要求。
PS;最新的輕量化評價介紹給大家，覺得不錯，要關注并點贊哦，謝謝你的支持。
轎車車身輕量化及其對連接技術的挑戰
本文對汽車車身輕量化的方法、要求和發展趨勢進行綜述，分析了車身輕量化對連接技術的挑戰，并對新型的連接技術進行介紹，旨在對輕量化車身的設計與制造提供有益的借鑒。
1、汽車車身輕量化方法及發展趨勢
1.1 汽車車身輕量化的方法
汽車車身輕量化并非是簡單地將汽車重量減輕，而是在保證車身的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車車身質量，同時要保證汽車車身的制造成本在合理范圍內。目前有以下三種手段。
(1) 使用輕量化結構。即以車身零件的強度和剛度要求為約束，借助 CAE 優化設計方法對零件的結構進行優化設計，通過車身零部件的薄壁化、中空化、小型化或集成化，以減小車身骨架和車身覆蓋件的質量或數量，從而達到車身減重目的。優化汽車的結構設計是實現汽車輕量化的有效途徑之一。圖 1a 中通過擠壓形成的封閉型鋁合金空間框架結構(Audi space frame，ASF)、圖 1b中通過輥壓成形的變截面結構零件以及圖 1c 內高壓成副車架，都是典型的輕量化結構，在顯著減重同時能夠有效保證強度和剛度需求。
圖 1 典型的輕量化結構
(2) 使用輕量化材料。通過大量使用輕質、高強材料實現車身大幅減重已經成為車身輕量化最為主要的手段。這些材料主要可以分為兩類：一類是高強鋼材料，包括普通高強鋼、先進高強鋼(Advanced high strength steel，AHSS)以及超高強鋼(Ultra high strength steel，UHSS)。圖2a 所示的奧迪 A4(B8)就是通過大量使用高強鋼來實現有效減重；另一類是低密度材料，包括鋁合金、鎂合金、塑料、復合材料等，圖 2b 所示的奧迪 A8(D3)全部采用鋁合金制造，具有非常顯著的減重效果。
展開 汽車車身輕量化的關鍵工藝制造技術
汽車的制造是一個系統工程，激光在汽車制造中最重要的優點體現在其先進的非接觸式的加工方式，相較于以往的加工方式，激光效率更快、精度更高，并且對這些難加工材料來說，激光更加容易實現，激光技術的進步也讓這些新材料的應用從理想變為了現實，從而讓新材料得以在汽車輕量化中得以實現。目前激光技術在汽車制造領域中主要的應用有車身拼焊、框架結構和零部件的焊接。
新型輕量化材料的使用是實現汽車輕量化的有效手段之一。而激光焊接以其獨特的優勢在實現連接輕量化材料方面起著越來越重要的作用。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 
【技術帖】基于有限元分析的某電動汽車車身輕量化設計
強度分析是在車身滿載情況下進行仿真，配重部分通過RBE3 以質量點形式添加在車身上。選取比較惡劣的垂向沖擊工況[4]，對比輕量化前后的車身強度是否符合要求。仿真結果和對比如圖8 和表4 所示。
圖8 輕量化前后車身強度等效應力云圖
Fig.8 Equivalent stress cloud map of body strength after weight reduction
（a）輕量化前 （b）輕量化后
表4 輕量化前后最大等效應力值及位置表
Tab.4 Maximum equivalent stress before and after weight reduction
輕量化后車身強度等效應力最大值176 MPa，位于后地板處，后地板厚度經輕量化變為0.7 mm。后地板材料為DC01，屈服極限195 MPa。后地板等效應力最大值低于材料的屈服極限，企業要求最惡劣的強度工況的安全系數為1，輕量化前后的車身強度均達到企業標準。
3.2 剛度對比分析
通過對比輕量化前后車身扭轉剛度的變化率和彎曲剛度開口處變形量，校核輕量化后車身剛度是否符合要求。在HyperMesh 中導入輕量化結果文件，重新分析車身剛度。輕量化后的車身扭轉工況Z 向位移云圖如圖9 所示。
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 【9月12-14日 北京】車身輕量化性能集成技術高級培訓班
對汽車輕量化技術有著獨到的專家技術，是輕量化領域的主要帶頭人之一。在整車開發過程中，從輕量化技術路線的開展，整車輕量化目標的定義及分解，整車重量目標及輕量化技術的實施及管控等建立的自己獨創的流程及模型，將輕量化技術作為重量屬性之一、建立了一個完整的閉環屬性及實施規范，在推進輕量化技術的落地及實施有著豐富的經驗。在輕量化材料、結構優化及工藝領域，開展了許多大量的前瞻性工作，并在許多國際國內學會中擔任主要職務。
資深專家2：曾擔任某自主品牌汽車公司CAE技術專家，現任某汽車公司技術團隊負責人。主要研究領域包括：環狀路徑車身結構輕量化設計、整車子系統級耐撞性驗證方法、IIHS25%小偏置碰撞測試標準研究、整車碰撞仿真焊點失效預測模擬、新單軸拉伸理論與試驗方法、列車單元耐撞性設計理論與仿真，已獲四項國家發明專利授權，其中車身環狀結構設計已經得到了汽車車身輕量化領域的高度認可。2016.04—2018.09汽車車身大數據平臺開發；2018.04—2020.03獲中信金屬支持，主持“汽車車身正向選材系統”的開發；未來主要聚焦于基于大數據思維和人工智能技術的汽車研發系統開發。
課程大綱
時間地點
培訓時間：9月12-14日
培訓地點：北京（具體地點，培訓前一周通知）
培訓費用
培訓費：4300元/人，3人（含3人）以上享受團隊價格：4100元/人。
以上費用不含食宿費，培訓期間食宿統一安排，費用自理。
郵件報名時請務必附帶電子版一寸免冠彩色證件照片，辦理培訓結業證書使用。
成功參加培訓的用戶返現100元（50元現金+50元技術鄰課程抵用券）。
展開 【SIMU圖文教程】_05_某車型車身輕量化優化實例
一、寫在前面：
分享一個提升白車身剛度的結構優化過程，希望可以為剛接觸結構優化的小伙伴提供一些啟發和思考。
（本文作部分摘取，為了避免引起不必要的麻煩，對分析數據進行了處理，但不影響對優化過程的說明）
二、問題描述：
上一篇帖子對車身剛度進行了提升（共經過15個方案的迭代），同時也增加了車身重量，這一篇帖子主要對車身輕量化進行了說明。
三、優化方案：
1、剛度提升方案15基礎上——通過靈敏度分析，下圖中綠色件對彎曲、扭轉剛度都不敏感，將其厚度由原來的1mm減為0.8mm，減重0.30Kg。
2、輕量化方案1基礎上——綠色件對彎曲、扭轉剛度均不敏感，將其厚度由原來的1mm減為0.8mm，左右對稱處理，減重0.40Kg。
3、輕量化方案2基礎上——下圖減重的部件對彎曲、扭轉剛度均不敏感，將圖示位置的部件進行減厚處理，具體如下圖所示，減重0.30Kg。
4、輕量化方案3基礎上——下圖位于前罩鉸鏈安裝孔位置的部件紅色件對彎曲、扭轉剛度均不敏感，將其厚度由原來的1.6mm減為1.4mm，左右對稱處理,減重0.20Kg。
5、輕量化方案4基礎上——下圖位于后輪轂包上的綠色部件對彎曲、扭轉剛度均不敏感，將其厚度由原來的1.8mm減為1.5mm，共減重0.10Kg。
6、輕量化方案5基礎上——下圖位于頂棚后橫梁的紅色加強部件對彎曲、扭轉剛度均不敏感，將其厚度由原來的0.8mm減為0.7mm，共減重0.10Kg。
7、輕量化方案6基礎上——下圖前碰撞橫梁紅色件對彎曲、扭轉剛度均不敏感，將其厚度由原來的2mm減為1.8mm，共減重0.10Kg。
展開 汽車輕量化：何以輕，以何輕？
更好地力學性能也就意味著更薄的結構和更輕的重量。以鋁合金輪轂為例，要達到相同的力學性能，一組鑄造輪轂要比鍛造輪轂多出20%的重量。
圖6 鍛造件與鑄造件對比圖
焊接是車身裝配過程中的一道主要工序，車身底板、車架、車頂、車門等部分都會采用焊接工藝。傳統電阻焊是通過電流形成的電阻熱融化焊件接觸面，通過壓力使焊件連接的方法，其技術特點決定了電阻焊在用于板材連接時需留有翻邊。而新的激光焊工藝可以通過激光束直接融化需焊接部位，省去了翻邊，減輕了重量的同時也使外形更美觀，使車體密封性更好。
圖7 激光焊與電阻焊對比圖
另外借助CAD、CAE等軟件和有限元模擬，汽車工程師可以方便的在計算機中對汽車進行設計和模擬，不必反復造樣車拿去撞，然后回爐重新設計，大幅提高了設計效率，也便于設計師發現更多可以采取蜂窩、鏤空等輕量化設計的部位。
新材料的滲透
汽車輕量化的升級過程中，車體材料經歷了鋼材到鎂、鋁合金再到碳纖維的演變過程，越好的材料越輕質高強。但車身輕量化并不是新材料對原有材料的簡單替代過程，簡而言之，汽車生產廠商是要盈利的，成本和性能的權衡也就成了量產車設計的主旋律。
一種材料如果能大規模的應用在量產車上，必然有生產規模化、品質穩定、成本可控，加工性能優越的特點。鋁合金和鎂合金具有密度低、抗沖擊性能好、加工性能優良等特點，開始逐步替代汽車用鋼材。以車身底盤零部件為例，鋁合金應用在前后轉向節中可使重量減輕40%，而鎂合金用于車輪轂則可減重30%。
圖8 單車用鋁量圖9單車用鎂量
當前汽車用材中鋼鐵比重較大，其中絕大多數鋼制零部件都可用鋁、鎂合金代替，包括發動機、輪轂、熱交換器、車身、轉向軸、變速器支架、懸架等。
展開 【報告6121】特斯拉Model3整車輕量化技術分析（14頁可下載）
Model 3輕量化策略
（1）輕量化路線
Model 3的輕量化由電池包開始，拓展到車身、底盤、電子電器等各個方面，電池減重是其重點。
輕量化路線明確以高性能、高度集成、高輕量化的電池包為主來實現整車減重的目標，并通過高強度的車身進行保護，輔助電器、底盤的輕量化，最終取得了整車較高的輕量化水平，同時平衡了碰撞性能、成本及各方面。雖然從白車身輕量化系數上看車身的輕量化率較低，但其在電池包上進行了突破，使得整車輕量化指數達到理想狀態。
電池包：高集成、高性能、高輕量化；
車身：高強度、輕量化、低成本；
電器：高集成、輕量化；
底盤、裝飾件：低輕量化；
取得想要的結果：較好的輕量化、較高的性能、卓越的碰撞、較低的成本。
圖7 Model 3輕量化路線圖
（2）輕量化措施
Model 3的輕量化主要從布置優化、結構優化、新材料、新工藝四個方面實施，具體見下圖所示。
圖8 Model 3輕量化措施分布圖
4.
展開 鋁合金：汽車輕量化的主力
【由鋁合金相伴的汽車輕量化潮流】
圖1. 歐洲汽車平均用鋁量變化
如今，“輕量化”這個詞已經由汽車行業的術語發展為媒體新聞里的高頻詞匯。《中國制造2025》中，也已把輕量化當成汽車產業發展的重要方向。簡單來說，輕量化就是在保證汽車強度和安全性能的前提下，盡可能降低汽車整車重量，從而提高汽車動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。近年來，由于環保和節能要求日趨嚴格，汽車輕量化已成為世界汽車發展的勢不可擋的趨勢。據歐洲鋁業協會報告，汽車質量每降低 100kg，每百公里可節約 0.6L燃油，減排CO2800-900g。鋁的密度僅有鋼的1/3，且具有良好的可塑性和回收性，是理想的汽車輕量化材料。上世紀70年代第一次第二次石油危機期間，面對日益高漲的石油價格，世界范圍內的汽車制造商嘗試用鋁合金制造之前鋼制的散熱器、氣缸蓋與保險杠等部件以提高燃油效率。從此，鋁合金在汽車中的比例不斷提高。著名咨詢公司達科國際（Ducker Worldwide）公布的研究數據表明，歐洲汽車平均用鋁量自1990年已經翻了三倍，由50kg增長到目前的151kg，并將在2025年增長至196kg.
圖2. 歐洲汽車用鋁（140kg）分布比例（2012年數據）
目前，汽車輕量化趨勢越來越猛烈，鋁合金在輪轂、發動機、散熱器、 油管等方面的應用非常廣泛。車身質量占汽車總質量的40%左右，對于整車的輕量化而言，車身的輕量化起著舉足輕重的作用。據2016年歐洲車身會議（EuroCarBody 2016）資料顯示，鋁合金應用率已經達部分高端車型白車身（即完成焊接但未涂裝的車身）質量的一半以上。
展開 
淺談CAE技術在汽車輕量化設計中的應用
2.1 工程數值分析
運用工程數值分析中的有限元等技術分析計算產品結構的應力、變形等物理場量， 給出整個物理場量在空間與時間上的分布，實現結構的從線性、靜力計算分析到非線性、動力的計算分析。分析內容包括靜力分析和動力分析兩個方面。靜力分析通常包括： 線性、(材料、幾何、狀態)非線性靜力分析;動力分析通常包括： 穩態動力分析、瞬態動力分析、譜分析。
2.2 仿真
運用運動/ 動力學的理論和方法， 對由CAD 實體造型設計出的機構、整機進行運動/ 動力學仿真，并給出機構、整機的運動軌跡、速度、加速度以及動反力的大小等。
2.3 結構優化設計
運用優化設計的方法在滿足設計、制造、使用的約束條件下， 對產品的結構、工藝參數、結構形狀參數進行優化設計， 使產品結構性能、工藝過程達到最優。結構優化通常包括的截面優化、幾何優化、拓撲優化、結構類型優化幾個層次。
3 CAE 技術在汽車輕量化設計中的應用
在現代汽車工業中，CAE 技術在汽車設計中得到了廣泛的應用，運用CAE 技術可以實現汽車的輕量化設計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結構進行分析和優化，實現對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。
利用CAE 技術， 結合有限元法與結構優化方法，對零部件進行結構優化，是實現零部件輕量化的一個重要研究方向。本文從車身結構優化設計、發動機零部件優化設計、車架結構優化設計三個方面講述了CAE 技術在汽車輕量化設計中的應用。
3.1 在車身輕量化設計中的應用
車身結構的輕量化對汽車節能和環保具有重要意義。據統計，客車、轎車和多數專用汽車車身的質量約占整車自身質量的40 %～60%。減輕汽車自身的質量，一方面節約了原材料，降低了汽車的生產成本，另一方面也降低了燃油消耗，有利于環保。
展開 淺談CAE 技術在汽車輕量化設計中的應用
1.工程數值分析
運用工程數值分析中的有限元等技術分析計算產品結構的應力、變形等物理場量， 給出整個物理場量在空間與時間上的分布，實現結構的從線性、靜力計算分析到非線性、動力的計算分析。分析內容包括靜力分析和動力分析兩個方面。靜力分析通常包括： 線性、(材料、幾何、狀態)非線性靜力分析;動力分析通常包括： 穩態動力分析、瞬態動力分析、譜分析。
2.仿真
運用運動/ 動力學的理論和方法， 對由CAD 實體造型設計出的機構、整機進行運動/ 動力學仿真，并給出機構、整機的運動軌跡、速度、加速度以及動反力的大小等。
3.結構優化設計
運用優化設計的方法在滿足設計、制造、使用的約束條件下， 對產品的結構、工藝參數、結構形狀參數進行優化設計， 使產品結構性能、工藝過程達到最優。
結構優化通常包括的截面優化、幾何優化、拓撲優化、結構類型優化幾個層次。
3CAE 技術在汽車輕量化設計中的應用
在現代汽車工業中，CAE 技術在汽車設計中得到了廣泛的應用，運用CAE 技術可以實現汽車的輕量化設計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結構進行分析和優化，實現對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。
利用CAE 技術， 結合有限元法與結構優化方法，對零部件進行結構優化，是實現零部件輕量化的一個重要研究方向。本文從車身結構優化設計、發動機零部件優化設計、車架結構優化設計三個方面講述了CAE 技術在汽車輕量化設計中的應用。
1. 在車身輕量化設計中的應用
車身結構的輕量化對汽車節能和環保具有重要意義。據統計，客車、轎車和多數專用汽車車身的質量約占整車自身質量的40 %～60%。減輕汽車自身的質量，一方面節約了原材料，降低了汽車的生產成本，另一方面也降低了燃油消耗，有利于環保。隨著計算機技術的發展， CAE 技術在車身輕量化設計上得到了廣泛的應用。
展開 蓋世汽車研究院：一體化壓鑄推動汽車輕量化
一體化壓鑄工藝作為未來重要的發展趨勢，企業正在加速進行布局，預計2025年國內一體化壓鑄件市場規模將接近300億元，年均復合增長率達176%。
在雙碳背景下，輕量化是汽車行業的發展趨勢。根據相關數據顯示，汽車整備質量每減少 100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6L。《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》的發布也對汽車油耗及輕量化系數提出了嚴格要求。2035年對于傳統能源乘用車和純電動乘用車的輕量化系數分別相比2019年的基數下降25%和35%。
汽車輕量化的技術路徑主要包括零部件輕量化、電器輕量化和車身輕量化。其中，車身輕量化主要從材料、結構、工藝三方面改進，當前的主要輕量化措施是采用輕質材料。鋁合金材料具有輕質、抗拉強度高、回收性好、耐腐蝕、可塑性強、工藝相對成熟等特點，材料密度顯著低于高強度鋼，成本及工藝難度優于鎂合金和碳纖維，是當前技術工藝下最具性價比及可行性的輕量化材料。
目前鋁合金已廣泛應用于轉向節、控制臂、副車架、電機殼、電池盒等部件，但鋁合金車身的制造工藝復雜度遠超鋼制車身，需要多種連接技術進行組合，大大提升了生產的難度和整車的制造成本。
鋁合金零部件的主要成型工藝包含了鑄造、鍛造和擠壓。壓力鑄造主要分為高壓鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造等。其中，低壓鑄造與差壓鑄造多用底盤區域，而高壓鑄造因加工效率高，加工零部件壁厚小等特點，在車身中的運用越來越多，是未來的發展方向。
展開 汽車輕量化-鋁合金材料的技術應用及加工工藝整合
鋁合金材料在汽車輕量化中的典型應用
車身輕量化材料
轎車車身輕量化技術主要包括輕量化材料的使用、結構的輕量化設計以及先進的成形工藝應用。輕量化材料使用是車身輕量化的主流，主要分兩類：一類是采用高強度材料，如高強度鋼及高強度不銹鋼；另一類是輕質材料，如鋁/鎂合金、工程塑料、碳纖維、新型玻璃、陶瓷以及多種復合材料等。
表1 江淮部分車身用鋁合金板件
圖1 鋁合金頂蓋充液成形工藝示意
鋁合金具有密度小（鋁的密度約為鋼的1/3）、質量輕、加工成形性好及可重復回收利用等特點。研究表明：與傳統鋼鐵相比，在達到同樣力學性能指標情況下，使用的鋁合金質量比鋼少60%；在承受同樣沖擊情況下，鋁合金板比鋼板多吸收50%的沖擊能量。基于鋁合金材料在汽車輕量化推進過程中的重要角色，其在汽車中的應用范圍也越來越廣，已經從最初的發動機缸體、變速器殼體和輪轂等擴展到了車體的各個重要零部件中。自然而然，這也就促使各汽車企業增強了對新型變形鋁合金材料的研發投入。安徽江淮汽車股份有限公司（以下簡稱“江淮”）部分車身用鋁合金板件見表1。
鋁合金材料技術特點
鋁合金具有質量輕、抗腐蝕能力強、耐用性好及減少行人撞擊傷害等顯著的優點。用于汽車車身板的鋁合金主要有2000系、5000系、6000系和7000系合金。其中，5系列、6系列最適合代替鋼板：5系是熱處理不可強化合金，成形性能良好，可用于形狀復雜的車身零件，主要用于內覆蓋件；6系是熱處理可強化合金，適用于外板等強度、剛度要求高的部位，主要用于汽車外覆蓋件。
展開 