汽車結構輕量化的案例
【技術帖】新能源汽車結構優化輕量化關鍵工藝分析
在新能源汽車制造生產中常用制造門檻梁、車門窗框、防撞梁等。
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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。
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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 設計仿真 | 海克斯康受邀參加2023第三屆中國汽車輕量化材料開發者峰會
2023第三屆中國汽車輕量化材料開發者峰會于3月20-22日在上海成功舉辦，此次大會共安排了49場主題演講、22家產品展示，有173家企業406位行業精英參與，其中51家來自于主機廠和電池廠。海克斯康工業軟件共有5名技術與商務人員參與了此次峰會，并設置了主題展臺。
海克斯康復合材料專家龔慧靈進行主題演講
3月21日上午，海克斯康工業軟件復合材料專家龔慧靈，進行了“Digimat汽車輕量化結構分析解決方案”的主題演講，介紹了海克斯康工業軟件旗下多尺度復合材料建模仿真軟件Digimat，以及其在汽車結構輕量化領域中的應用。本次演講受到了多位與會行業專家的關注，并就如何提高車用復合材料仿真計算精度等問題展開了深入討論。
海克斯康汽車輕量化結構解決方案展臺
海克斯康工業軟件在本次峰會上開設了主題為“汽車輕量化結構解決方案”的展臺，著重介紹了與汽車結構輕量化相關軟件，包括多尺度復合材料分析軟件Digimat，金屬加工工藝仿真軟件Simufact，材料數據庫管理平臺MaterialCenter，基于機器學習的仿真工具Odyssee等。峰會期間展臺受到了多位汽車主機廠、材料供應商、高校等專家的關注，并就相關技術問題進行了討論。
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 直播預告-汽車增強塑料結構多尺度分析及輕量化仿真技術
以一個項目玻纖增強材料的零件輕量化10%，量綱10萬輛，開發5個項目進行計算，預計可以節約成本數百萬元。
龔慧靈
海克斯康工業軟件材料仿真技術專家
在航空復合材料結構、汽車輕量化結構分析領域工程具有豐富經驗，支持&參與的項目涵蓋：航空復合材料結構失效分析、CFRP結構固化回彈評估、SFRP部件沖擊失效及NVH分析等。
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 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 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 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 新能源汽車動力電池包結構輕量化開發方法與實踐
本文來自華南理工大學 蘭鳳崇教授在“2018中國汽車輕量化論壇”上的報告，未經本人確認。特此說明。
來源：車訊前沿
【技術文章】基于Inspire軟件的汽車踩踏板材料及結構輕量化設計
通過結構仿真獲得踩踏板應力、安全系數和質量云圖，通過云圖可知，踩踏板質量為0.24kg，最小安全系數為1.8，最大等效應力為23.3MPa，均出現在中間孔部約束位置。
2.材料選擇
汽車零部件材料輕量化和結構輕量化兩者相輔相成，在選用合適材料輕量化基礎下，借助結構輕量化最大限度地實現踩踏板輕量化。所選材料既要保證零部件強度要求，又要實現減輕車身自重的目標。目前汽車常用輕量化材料有高強鋼、鋁合金和復合材料。
2.1高強鋼
高強鋼在汽車制造中應用非常廣泛，主要用于防撞桿、骨架、立柱等汽車零部件，是汽車應用最多的材料之一，強度遠超傳統鋼制材料，是汽車輕量化常用材料。高強鋼輕量化手段是提高強度、減薄厚度，以實現輕量化。但在實際使用過程中會面臨諸多難題，例如：隨著鋼板強度的提高，高強度鋼韌性、成形性、焊接性會隨之下降。
2.2鋁合金
鋁合金具有與鋼制材料相同等級的強度，其密度僅為鋼材的1/3，比強度較高，是汽車零部件較為常用的輕質材料。鋁合金型材具有較好的抗沖擊能力，是鋼材的2倍，可顯著提升汽車的碰撞強度。鋁合金型材在汽車制造過程中已表現出舉足輕重的作用，主要用于殼體、內外板等汽車零部件，將來在汽車輕量化進程中的應用會越來越廣泛。
2.3復合材料
隨著人們對汽車防腐、美觀和舒適等方面需求的不斷增加，非金屬材料在汽車制造過程備受關注，復合材料則是汽車輕量化過程中具有代表性的非金屬材料。復合材料具有質量小、易設計、耐腐蝕等特點，主要用于儀表盤、翼子板等汽車零部件，但由于復合材料成本較高，限制了其應用范圍。
展開 汽車輕量化技術應用現狀
將電機+ 減速器、電機控制器、充電機、直流變換器、高壓分線盒、部分整車控制器等都集成到一起的“多合一”方案更是新能源汽車輕量化技術不斷發展的必然趨勢。
4 結論
最近10 年，輕量化在中國汽車行業得到了快速的發展，甚至有一部分自主品牌汽車的輕量化水平達到了國際領先水平。輕量化不僅是一種新材料或者一項先進技術，而且是車型研發的一項重要技術指標，輕量化必須在整個車型的研發周期內同步開發實施與管控。輕量化技術主要有三大方向，即新材料輕量化、先進工藝輕量化和優化結構輕量化，這3 個方向相輔相成，互相約束，需要均衡考慮，才能實現輕量化汽車的有效開發。
來源：期刊—汽車工程師
展開 
汽車輕量化：何以輕，以何輕？
圖3 各國歷年油耗計劃
在不影響汽車性能的情況下降低油耗的方法主要有以下三種：（1）提升內燃機熱效率；（2）降低汽車行駛過程中的風阻；（3）車身輕量化。
渦輪增壓技術大幅提高了內燃機效率，但越接近卡諾定律所規定熱效率極限，尋求技術上的突破也就越困難，短期難有能夠大幅提升內燃機燃燒效率的技術革新。一輛汽車以80km/h的速度行駛時，約有60%的阻力源于風阻，所以每個車型面世前都要經過工程師數百次修改設計和上千小時的風洞試驗，空氣動力學性能幾乎被壓榨到了極限。而進入到21世紀以來，新材料不斷面世和材料加工成型工藝的發展使得汽車輕量化成為了可能。
據有關研究，一般情況下車重每減輕1kg，則1L的汽油可以使汽車多行駛0.011km。于此同時，汽車減重不僅減少了油耗，也減少了二氧化碳排放量，車重如能減少一半，二氧化碳排放量就能減少13%。同時也減少了如氮化物、硫化物等其他有害物質的排放量。
圖4 油耗與汽車質量 圖5 排放量與汽車質量
以何輕
量產車輕量化的前提是建立在汽車的整體品質、性能和造價不變甚至優化的基礎之上的，所以即使減配可以有效減輕車重并提高車輛性能，也不能作為汽車輕量化的有效手段，而是要通過材料、工藝和結構的重新設計，來實現整車減重的目標。
設計能力提升和制造工藝進步
汽車不同部位在行駛過程中的受力和安全要求不同，工程師針對不同部位進行鋼材差異化的選擇，在力學性能要求高的部位選用高強度鋼，而非加厚板材，在其他部位選用成本較低的鋼材起到基本的結構和覆蓋功能。這樣即有效控制了成本，又減輕了車重。現在汽車生產用鋼通常被分為5-6個等級，不同等級的搭配使用能使白車身減重25%，而白車身又占據了整車質量的1/4，僅僅該部分的優化潛力就可達上百公斤。
展開 蓋世汽車研究院：一體化壓鑄推動汽車輕量化
當今，汽車制造業正朝著更輕、更高效、更可持續的方向發展。在這一輕量化的趨勢中，車身一體化壓鑄技術成為了一項引人注目的創新。通過將多個鋁合金零部件整合為一個無縫結構，一體化壓鑄技術不僅減輕了整車重量，還提高了結構強度和安全性能。它不僅在汽車行業取得了顯著的進展，而且正在改變著整個行業的制造方式和設計理念。
本報告得到的核心觀點有：
當下汽車輕量化的發展推動鋁合金材料需求提升，但連接工藝及結構件性能制約鋁合金材料在汽車中的應用。
展開 大會進行中：西門子汽車性能工程線上研討會，想要的都有：NVH、結構輕量化、整車系統、平臺架構、汽車性能、電子系統...
順境看戰略，逆境看韌性，身處汽車產業中的各企業是否已做好適當的戰略和計劃，以屹立于當下，繁榮于未來？
一輛典型的汽車大約會有50000個機械和法規的要求，若結合電子電氣和軟件等方面，將產生450000個要求。這也就意味著，在汽車設計、制造、銷售、產業鏈越來越依靠科技的未來，誰占領了科技的制高點，誰便將是未來汽車市場的贏家。
同時，汽車產業新四化已經到來，電動化與智能化日益深入，傳統車企面臨近在咫尺的生態重構，如何建立新一代全新的開發模式是整個行業面臨的考驗。
為讓汽車企業能不斷提高足夠先進的理念、產品，以及有足夠的支撐力量來完成變革，西門子數字化工業軟件將在明日開啟線上研討會“數字創新產品——汽車性能工程數字化雙胞胎線上研討會”，為行業難題帶來答案。
展開 汽車碰撞安全與輕量化研發中的若干挑戰性課題
通過電池包布置方式調節車輛重心，可優化控制電動車在碰撞過程中的俯仰和偏轉等運動姿態，從而為碰撞安全性能優化引入新的控制因素[30]，基于此建立了將單方向碰撞沖擊轉化為復合運動響應的碰撞運動姿態控制策略，有效提升了小型輕量化電動汽車的碰撞保護性能，解決了小型電動汽車的電池布置空間和碰撞變形吸能位移的設計沖突。
2.7 輕量化材料與連接接頭的碰撞失效機理與預測技術
輕量化是汽車設計與制造中長期存在的研究課題，是汽車節能減排的重要手段之一；同時，面向新能源汽車的發展需求和車用動力電池能量密度的制約，純電動汽車對輕量化的需求被提升到更高的優先級。
車身結構輕量化追求“正確的材料用于正確的用途”。這需要對材料的性能和材料的應用條件有全面深入的認識。對于汽車結構而言，耐撞性是最需要優先保障的性能之一。在汽車碰撞事故中，車身結構中的材料以及連接接頭將經歷動態沖擊、塑性變形甚至失效的過程。只有全面掌握材料、連接接頭在動態沖擊下的力學特性，認識其變形破壞機理，并為基于CAE的虛擬設計建立準確高效的預測能力，才能設計出滿足耐撞性要求的輕量化車身結構。
碰撞載荷下材料和接頭斷裂的預測精度不足制約了汽車碰撞安全性和輕量化設計的質量和效率，這是由于汽車碰撞事故中材料的斷裂是發生在復雜應力狀態下，且和應變率效應耦合。
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