車身結構輕量化的案例
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 【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。
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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 輕量化白車身及多材料連接技術的發展
表2中，福特focus、福特fusion、福特transit和福特mustang處于奧迪輕量化白車身第一階段用材水平，且只有福特mustang的機蓋、翼子板應用鋁合金（4%），福特F150處于奧迪輕量化白車身第三階段用材水平，車身結構件和覆蓋件大量應用鋁合金。
表3中的5款日系車型均處于奧迪輕量化白車身第一階段用材水平。在日系車型中，只有對輕量化要求較高的跑車、電動車及部分高端車中少量應用鋁合金（2%～10%），主要應用在防撞梁、機蓋和翼子板三個部位。
3 車身多材料連接技術
四個白車身發展階段，每個階段都有與之相應的多材料連接技術，表4列舉了不同的白車身發展階段與之對應的多材料連接技術與主要應用部位。
針對四個階段輕量化白車身的用材，圖5共歸納了目前最流行的9種白車身多材料連接技術。
根據奧迪車身發展的四個階段，所對應的四個多材料連接技術發展階段如下：
第一階段應用的連接技術主要是無鉚連接和鎖鉚連接（SPR）。無鉚連接適合于不同金屬材料及不同厚度連接，過程簡單，一步完成且不需要預先打孔，能耗低，但連接強度略低。鎖鉚連接（SPR）具有很高的動態疲勞強度（約為焊點的2倍），碰撞吸收的能量較焊點高，鉚接材料組合廣泛，不過鉚釘增加了車身自重。
第二階段應用的連接技術主要是自攻螺絲（FDS）、激光焊接和鉚接螺母螺柱。自攻螺絲（FDS）機械強度高，動態連接強度高，單面連接，可與折邊膠結合使用，拆卸更換螺絲方便；劣勢是防腐蝕能力降低，增加了車身自重，可能會產生金屬飛屑誤傷工人。
展開 汽車車身輕量化系數詳解
圖3
2
中國輕量化車身會議
中國輕量化車身會議是由中國汽車工程學會和汽車輕量化技術創新戰略聯盟主辦，旨在推動我國車身及輕量化技術的進步，并提供一個汽車行業車身交流的平臺。該會議可從一定程度上展示我國車身輕量化領域的最新技術成果和車型。
圖4
3
等級定義
目前尚無公開資料論證車身輕量化系數的等級及水平高低，以下分類源自北汽。
圖5
方法詳解
白車身輕量化系數（Light Weight Index of BIW）的概念首先由寶馬公司提出，是目前被汽車行業普遍接受的一個評價白車身輕量化水平的指標，數值越小，表示輕量化水平越高。
由計算公式可知，若要減小輕量化系數，可以通過降低白車身重量、提高扭轉剛度或增大腳印面積來實現。
1
降低白車身重量
m指的是白車身的重量，不包含前風擋、四門兩蓋及副車架等，因為這些系統都是安裝在白車身結構上，而車身的結構性能主要是指白車身框架結構的性能。
圖6
在保證性能的前提下，降低白車身重量，可以通過以下途徑來實現：
①提牌號降料厚
若需保證性能不變，在降低零件料厚的同時需提高材料強度。
展開 
汽車車身輕量化的關鍵工藝制造技術
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 汽車車身輕量化設計的技術困境
因此，從邏輯上判斷，只能是可以外委供應商的輕量化技術方案才是被各方皆大歡喜的，比如塑料前端模塊、塑料后尾門、前后鋁合金保險桿、熱成型工藝等。
當項目組和各技術專業部門聚焦于外部資源的利用而忽略了內部潛力的挖掘時，一般結果是整車開發的輕量化效果并不理想，技術開發能力沒有提升，技術開發周期并沒有縮短，而技術開發成本卻上去了。
以環狀結構設計為出發點，可以將“需要其它專業部門配合的問題”轉化為“其它專業部門需要主動解決的問題”，最大程度上避免“屁股決定腦袋”和扯皮事件的發生。
基于環狀結構設計理念的技術思想大統一
汽車研發的主要矛盾具體體現在國內自主品牌車身骨架普遍存在30kg以上結構優化空間——減重不增加成本、不影響研發周期、不犧牲性能。過度聚焦新材料、新工藝的應用對解決主要矛盾，只是錦上添花，起不到雪中送炭的作用。
因此，車身結構優化設計才是解決主要矛盾的主戰場，其中環狀結構是車身結構優化設計的核心內容，一方面，是全世界主機廠已經達成了共識的技術理念；另一方面，卻依然是被全世界主機廠忽視而未被深入且系統挖掘的思想寶藏。
展開 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 【技術帖】新能源汽車結構優化輕量化關鍵工藝分析
4
新能源汽車結構優化設計方法
實現新能源汽車輕量化主要有三個途徑：使用材料、生產工藝和優化汽車結構。通常情況下優化汽車結構，可通過減少材料和車重實現安全和性能要求。通過優化車身結構實現汽車輕量化是目前最為有效的途徑。其中減少汽車車身、減少車架重量是減少汽車總重量的主要途徑。此外，優化新能源汽車結構設計還從逆變器小型化、驅動電機小型化等方面進行考慮。逆變器小型化通過縮減體積大小，減少能量損害，從而減少發熱損失。驅動電機小型化通過縮短線圈、降低線圈材料使用等方式，提高線圈利用率。
5
結語
綜上所述，在社會經濟發展中，汽車已經成為人們生活中必不可少的出行工具。隨著汽車數量逐漸增多，對環境造成的惡劣影響，讓人們不得不重視環境保護意識。因此在汽車行業發展中，汽車輕量化已成為未來發展趨勢，只有不斷完善輕量化體系、提升對輕量化材料認知，才能推進汽車輕量化發展。
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 【技術帖】基于有限元分析的某電動汽車車身輕量化設計
因此需要選擇合適的鈑金件進行輕量化。
2.2 車身輕量化
選擇對車身質量靈敏度較高，但對車身扭轉剛度以及模態靈敏度較低的鈑金件，減小其厚度。通過靈敏度分析，選出合適輕量化的25 個鈑金件，在保證各方面性能的前提下，對白車身鈑金件進行尺寸優化。同時，還需要考慮厚度變化帶來的鈑金沖壓成本，當厚度變化在20%之內帶來的增加成本最低[2]。
在HyperMesh 中設置車身輕量化模型，以鈑金件厚度為設計變量，以車身靜態扭曲剛度和一階扭轉模態頻率為約束條件，以車身質量最小為優化目標，在Optistruct 模塊下求解運算。優化結果經過多次迭代，最終的車身輕量化結果如表3 所示。
表3 鈑金件輕量化結果
Tab.3 Lightweight results of sheet metal parts
本次車身輕量化，針對篩選出的25 個鈑金件，總共減重7.38 kg。在保證性能和成本的前提下，輕量化效果較明顯。
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輕量化性能對比分析
對車身進行輕量化，會對整車一些性能造成影響。按企業要求，剛度變化率小于5%，一階扭轉模態和一階彎曲模態變化率小于3%，開口件對角線變形量小于具體數值，車身結構強度應符合要求。因此需要對比驗證輕量化前后車身的強度、剛度和模態等性能[3]。
3.1 強度對比分析
車身強度是指車身在各種外載荷作用下抵抗永久變形和破壞的能力。當車身靜強度不足，在各種外載荷作用下，可能導致某個部位出現裂紋和破壞。
展開 混合多材料（鋼/塑/有機材料）車身A柱輕量化開發與驗證
三維材料混合技術
近年來，輕量化已成為汽車行業的關鍵詞，汽車制造商不斷嘗試新方案來減輕車輛重量。其中，創新的結構設計就是一種重要的方法。目前，傳統的純鋼制結構已逐步淘汰，混合材料結構越來越多的被采用。鋁、鎂、鋼、塑料等不同材料的組合將更有針對性的實現性能的提升和重量的減輕。
對于需要承受高應力的碰撞結構件，純金屬結構已逐漸被淘汰。特別是對于新能源汽車，需要創新動力系統設計，以抵消電池帶來的整備質量增加，滿足碰撞安全要求，同時最大化電池安裝空間。為此，保時捷、德國Mitras、薩克森（德國）的輕量化設計中心（Leichtbau-Zentrum Sachsen，LZS）和德累斯頓技術大學的輕量化工程和聚合物技術研究所（ILK）聯合開展了“三維材料混合應用技術”項目，該項目由S?chsische Aufbaubank（SAB）贊助。旨在將先進的材料混合方案應用于車身結構件的開發中，例如圖1所示的混合材料車身A柱。
目前，行業已有將金屬型材與纖維增強復合材料兩種材料混合應用的案例，如圖2。第一種注塑成形部件截面穩定性較好，但整體結構穩定性較差；第二種結構擁有金屬邊緣，其優勢是可以通過點焊、鉚接等常見方式進行連接，但其截面穩定性較差；第三種纖維增強復合材料設計具有較好的穩定性，但整體的剛性較差。同時復合材料的設計需要采用膠粘連接，批量化生產時傳統裝配線需要進行較大的改動。基于三維材料混合技術開發的第四種結構，采用熱成型鋼或冷軋鋼板+有機纖維板局部增強+長纖維增強脊結構實現橫截面穩定。
將該結構應用于B柱的輕量化設計中，與傳統B柱相比，部件數量顯著減少，重量降低14%，能量吸收能力提升25%。
展開 
廂式車廂體結構輕量化仿真與優化
隨著物流運輸市場對廂式車產品要求的不斷提高，現階段我國廂式車制造企業的開發設計水平不斷加強，并且在輕量化、平臺化和高效化方面不斷吸收國外廂式車制造企業先進的設計開發理念。
汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；汽車整備質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3~0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。當前，由于環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。
廂體結構如圖1所示，其中廂體骨架由型鋼焊接而成，材料為普通碳鋼。借助于CAE仿真技術，分析廂體在靜載、動載工況下的結構強度，并對其進行輕量化設計，以減少開發成本，提高設計效率。
圖1 廂體結構示意圖
建立仿真模型
利用HyperMesh軟件對廂體骨架進行網格劃分，利用Abaqus進行求解骨架剛度、強度，并進行后處理，有限元網格模型如圖2所示。
圖2 模型網格示意圖
邊界條件及工況
以實際負載工況和連接為基礎，梁單元模擬焊接，確定仿真分析施加載荷與邊界條件后，模型如下圖3所示，綠色顯示為載荷施加位置，紅色顯示為約束鏈接位置。
圖3 邊界工況示意圖
結果分析
在靜載工況下，廂體結構應力如圖4所示，廂體整體結構有極少量單元達到屈服強度，出現在部件焊接處，考慮應力集中因素，可以忽略。
圖4 廂體整體應力云圖
廂體的最大變形出現在頂部框架位置，如圖5所示。在靜載工況下，副車架變形在彈性階段，如圖6所示。
展開 鋼包架結構輕量化設計
1）輕量化要求及原始模型
如圖所示，鋼包架需要承受中間的鋼包（有效重量為271噸）。鋼包架如圖2所示，原始結夠重92噸，需要滿足正常工作的前提下，減重15噸左右。
2）鋼包架結構參數定義
根據鋼包結構，進行結構分析：預設計鋼板厚度1=（50-60 ）mm，2=（20-30）mm，3=（60-80）mm，4=（40）mm ，5=（50-80）mm ，6=（20-40）mm ，7=（20-40）mm ，8=（30-50）mm，9=（30-40）mm
為了便于分析說明，對主框架進行結構參數定義，見下表所示。
鋼包架輕量化結構優化
1）輕量化要求及原始模型
如圖所示，鋼包架需要承受中間的鋼包（有效重量為271噸）。鋼包架如圖2所示，原始結夠重92噸，需要滿足正常工作的前提下，減重15噸左右。
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2）鋼包架結構參數定義
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根據鋼包結構，進行結構分析：預設計鋼板厚度1=（50-60 ）mm，2=（20-30）mm，3=（60-80）mm，4=（40）mm ，5=（50-80）mm ，6=（20-40）mm ，7=（20-40）mm ，8=（30-50）mm，9=（30-40）mm
為了便于分析說明，對主框架進行結構參數定義，見下表所示。
展開 解決方案 | 輕量化結構完整性測試
__biz=Mzg4MTI0NDYwOQ==&mid=2247489717&idx=1&sn=270eb6f43638b249be7342fb48704b3d&chksm=cf69b81bf81e310d18bb50df6b4900faf351fc32610ac7fc17cd47640acf1a390ffe8f77b946&token=1676897683&lang=en_US&scene=21#wechat_redirect" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="color: rgb(68, 68, 68);"><em>HBK專家對話 | 淺談輕量化結構</em></a><em style="color: rgb(68, 68, 68);">，深入了解新方法和技術以及輕質結構對我們日常生活的影響，并學習如何進行相應的機械測試。</em> </p><p><br></p><p><strong style="color: rgb(0, 51, 90);">輕型結構的結構完整性測試解決方案</strong></p><p><span style="color: rgb(68, 68, 68);">HBK 可為您提供從虛擬測試工具、傳感器、數據采集硬件到軟件的無縫測量鏈，滿足材料和結構疲勞強度的完整測試和驗證要求——從設計概念到虛擬測試、集成到真實測試。
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