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汽车轻量化材料汇总分析

   乘用车白车身包括下部车身、上部车身骨架、车门、发动机罩盖、行李箱盖、翼子板等部件,是发动机、变速器、传动系统、制动系统、悬架系统、排气系统、电气系统及内饰件的安装基础,并通过其相应的结构设计满足成员的安全性要求。车身轻量化的目的在于保证车身结构抗撞性、刚度、强度以及NVH性能前提下,减轻身上骨架质量,同时不提高汽车车身制造成本来增强整车产品的市场竞争力。

  轻质材料

  车身上应用的不断扩大的高强、轻质材料主要为高强度钢与超高强度钢、铝合金、镁合金工程塑料以及符合材料等。

  高强度钢

  高强度钢主要应用于前防撞梁,A、B、C柱加强件,门槛梁,车门防撞梁和车顶横梁等关键部位,并且因公比例逐渐扩大。欧美部分车身车身高强度钢应用比例已超过60%,如奥迪A3、宝马3系、凯迪拉克ATS、福特蒙迪欧等;日系车型高强度钢占比也超过50%,如英菲尼迪Q50、本田思域等;

  铝合金

  铝合金已由发动机罩向翼子板、行李厢盖及车门上逐渐延伸,部分高端车已实现全部铝合金车身;

  镁合金

  镁合金已经从方向盘骨架、座椅骨架向转向支撑、传动系壳体零件上发展;

  纤维增强复合材料

  纤维增强复合材料已开始应用于前段模块、后尾门、进气歧管等零部件;碳纤维复合材料已由跑车、豪华车向中高端车和电动车应用扩展。如图某轿车带四门两盖的车身结构。

乘用车车身结构

  结构优化设计

  在结构优化设计方面,车型开发前期,对车身结构做出更合理的设计规划更为重要。目前多材料车身结构轻量化设计正在向着搭建参数化设计平台(如图),应用拓扑优化、尺寸优化、形貌优化、多目标优化以及结构-材料-性能一体化优化设计方向发展。

建模过程

  材料应用

  1、高强度钢高强度钢主要应用在车上内外板以及车上结构件,同时高强度钢可以有效提升车身被动安全性。先进刚度刚在汽车超轻钢车身、先进概念车上应用,在减重、节能、提高安全性、降低排放发面应用前景良好。虽然在成型中面临回弹等问题挑战,但相比于其他替代材料,高强度钢还是性价比最好、最具吸引力的材料。

  2、铝合金

铝合金的应用始于20世纪90年代,以奥迪汽车推推出的全铝空间框架车身为代表。提出了奥迪全铝车身框架概念(ASF),推出相应车身Audi100、第一代Audi A8、A2.除奥迪其他公司也推出了全铝车身,如捷豹XJ、新路虎揽胜、奔驰S级车等如图所示。

  变形铝合金在车身零件级结构件的应用方面发展比较快,如应用日益广发的铝合金行李箱盖、发动机舱罩盖、后背门、保险杠横梁等,随着凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、铝基复合材料和泡沫铝材等新材料的开发应用,未来铝合金在汽车应用范围将进一步扩大,并将呈现铸件、型材、板材并举的局面,预计未来铝将成为仅次于钢的第二大汽车用材料。

奥迪A8全铝车身

  3、镁合金

  目前镁合金在车身上主要集中在方向盘骨架。仪表盘骨架、座椅骨架等零部件上,在白车身结构件上还没有量产应用。目前仅有克莱斯勒某车型上做过尝试,如图。由于镁合金耐腐性和成型方面限制,目前尚未得到广泛应用。

  4、复合材料

  汽车工业复合材料技术首先应用于保险杠,而后用与生产变截面弹簧钢板以代替钢板,之后又用与生产四门两盖。复合材料大规模应用是在20世纪80年代中期以后。1990年福特、克莱斯勒相继开发出复合材料。

  复合材料具有许多金属材料无法比拟的优点:密度低、比强高、比模高;材料性能具有可设计性;制品结构设计自由度大,易实现集成化、模块化设计;抗腐蚀性好、耐久性能好,隔声降噪;可采用多种成型工艺,模具成本低;A级表面,可免喷涂等工序;投资少,生产周期短。目前,汽车轻量化发展需求迫切,从成本性能发展综合考虑,可用于车身结构件的复合材料以树脂基碳纤维增强复合材料为首选。可以应用于发动机舱罩盖、翼子板、车顶、行李箱、门板、底盘灯结构件中。

  随着车用复合材料技术的发展,现已广发的应用在跑车、豪华车上,于铝合金构件比,复合材料可以减重50%左右,目前车上碳纤维已从单向丝、双向编制物,发展到多轴中空的碳纤维预制体,可获得多种形状结构的汽车部件,如图宝马I3电动汽车复合材料应用。

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