谢贵山，黄宗斌，赵肖斌，覃鹏飞，劳兵
上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007
2021年我国对能源发展提出了要求：在2030年前我国的二氧化碳排放量将达到峰值，由增转降;在2060年前争取实现碳中和，最终实现零排放的目标。据相关资料统计，汽车每减重100 kg，二氧化碳排放量可减少约5 g/km。轻量化是实现汽车节能减排最有效的途径，是汽车行业的发展方向，尤其是现在新能源车和智能驾驶的兴起，汽车轻量化对汽车续航里程有着重大影响，汽车轻量化水平是汽车企业技术能力和核心竞争力的体现。汽车轻量化是指采用科学的设计方法和手段对汽车产品进行优化设计，或在确保汽车综合性能指标的前提下使用新材料，最大化降低汽车质量，以达到减排、安全、减重、节能的综合指标[1-2]。汽车轻量化的整车收益如图1所示。汽车轻量化需同时满足两个条件：保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性以及舒适性;汽车造价不被大幅提高或不增加。车身质量占整车质量的1/4～1/3，是整车轻量化的主要方面，车身的减重潜力一般占整车减重潜力的50%左右。车身轻量化可以带来底盘、动力等的二次减重。车身的轻量化能有效达成整车轻量化、节约能源、减少废气排放，实现我国汽车工业可持续发展，研究车身轻量化技术具有重要意义。
图1 汽车轻量化的整车收益
汽车行业通常采用轻量化系数来评价车身轻量化水平。车身轻量化系数计算公式为：
(1)
式中：L为车身轻量化系数，数值越小，表示轻量化水平越高;mBIW为白车身(无门盖，无前后风挡)的质量，kg;CT为车身扭转刚度，kN·m/(°);S为四轮间的正投影面积[(前轮距+后轮距)×轴距/2]，m2。
本文主要从材料、结构、工艺3个技术路线方向来实现车身轻量化。
结构设计与优化是车身轻量化的重要手段，也是实现汽车轻量化的基础和前提，通过结构设计与优化使最优的结构形状、尺寸和合适的材料用在汽车结构合适的位置，追求每部分材料都能发挥出其最大的承载、增加刚度、吸能作用，达到降低整车质量、提高材料利用率、减少材料成本的目的。车身结构设计和优化的方法主要有单目标优化、多目标协同优化、拓扑优化、尺寸优化、布局优化、形状优化方法。
2.1 单目标优化
单目标优化以减重为目标，车身刚度和主要模态频率为约束，板厚度和梁断面形状为设计变量，主要用于轻量化和汽车性能优化设计。在车身上常见的优化案例有：减重为目标，车身刚度，强度、频率为约束，车身零件结构尺寸为设计变量;车身刚度最大为目标，车身质量、强度和频率为约束，车身零件结构尺寸为设计变量;车身一阶扭转频率最大为目标，车身质量、强度和一阶弯曲频率为约束，车身零件结构尺寸为设计变量。
2.2 多目标协同优化
多目标协同优化是以减重和车身某一重要性能为目标，车身其他性能为约束，板厚度和梁断面形状为设计变量，优化同时考虑被动安全性。多目标协同优化主要有直接优化方法和间接优化方法。
直接优化方法是直接利用数学模型进行优化计算，主要有加权系数法、动态规划法、遗传算法、非支配排序遗传算法等，常用于模型简单、计算量不大的多目标优化问题。
间接优化方法是先计算出样本点，拟合出代理(近似)模型，再利用优化算法进行优化。代理模型主要有多项式响应面、克里金、支持向量回归和神经网络方法等。间接优化方法常用于计算工作量大的优化问题，主要用于轻量化和汽车性能优化设计，车身上常见的优化案例有：减重和车身某几个结构抗撞性等为目标，车身刚度、强度、频率和其他结构抗撞性指标为约束，车身零件梁断面形状尺寸和板厚为设计变量，对车身结构进行轻量化设计;车身刚度、频率等最大为目标，车身质量、强度和结构抗撞性指标为约束，车身零件梁断面形状尺寸和板厚为设计变量，对车身 NVH 性能进行优化;车身正或侧碰的几个结构抗撞性指标为目标，以车身质量、刚度、强度和频率为约束，车身零件梁断面形状尺寸和板厚为设计变量，对结构被动安全性进行多目标优化。
2.3 拓扑优化
拓扑优化是优化材料在设计空间上的分布，主要用于车身概念设计早期，研究结构材料布局，优化结果决定了车身的最优拓扑，也就决定了车身的最终形状与性能，能保证结构设计的后续尺寸和形状优化是在材料分布最优形式下进行的，能够有效提高材料利用率。
2.4 尺寸优化
尺寸优化主要是优化梁断面尺寸及板的厚度匹配。
2.5 布局优化
布局优化主要是对结构加强筋的布置等进行优化。
2.6 形状优化
形状优化主要是优化车身梁的断面形状。
采用轻量化材料替换原有车身钢材是车身轻量化的重要技术手段，各种轻量化材料密度对比如图2所示，不同的轻量化材料有不同的材料属性、工艺要求、应用区域。
图2 各种轻量化材料密度对比
3.1 铝合金
铝合金密度是钢的1/3，具有抗冲击性好、比强度高、比刚度高、便于回收再利用的优势，并具有良好的工艺性、吸收冲击性能好、耐腐蚀、易回收等特点，目前在汽车行业被广泛应用[3]。挤压铝是通过挤压成形，形成等截面的铝制型材;车身铝合金铸件是用高压真空铸铝的薄壁铸铝件。
3.1.1 挤压铝
目前车身常用的挤压铝为6000系与7000系两种，技术难点有：面向工艺的挤压铝零件设计;铝&铝连接及钢&铝连接技术。主要应用在车身载荷路径上梁式结构区域，如图3所示。挤压铝零件可实现封闭等截面型材，应用于车身关键载荷路径上，可有效提升车身安全、结构、NVH性能。相对于传统钢制钣金零件，挤压铝零件可实现多个零件集成为1个零件，提升零件集成度。
图3 挤压铝在车身上的应用
3.1.2 压铸铝
目前车身用高压真空铸铝零件为薄壁铸铝，按热处理方式可分为T5与T7两种。
技术难点有：面向工艺的铸铝零件设计;压铸模具与工艺的开发控制;铝&铝及钢&铝连接技术。主要应用在车身关键载荷路径与关键接头区域，如车身前、后减震塔、后大梁等零件，如图4所示。铸铝零件可实现复杂型面及加强结构，应用于车身关键载荷路径上，可有效提升车身安全、结构、NVH性能。相对于传统钢制钣金零件，铸铝零件可实现多个零件集成为1个零件，提升零件集成度。
图4 压铸铝在车身上的应用
3.2 镁合金
镁合金密度约为钢的1/4，约为1.7 g/cm3，比强度和比刚度高，兼有良好的阻尼减震和电磁屏蔽功能，同时易于加工、可回收再利用，逐渐成为轻量化发展的研究应用对象。镁合金存在耐蚀性差、易燃、室温塑性差的缺点。汽车上采用镁合金零部件共有 60 多种，所用的镁合金材料主要是 AZ和 AM合金，少量采用 AE和 AS3合金，如图5所示。目前汽车行业金材料牌号还相对较少，汽车平均用镁量为 0.7～1.2 kg，个别商用车车型镁合金用量达2.0～3.0 kg。国内可生产出常规的镁合金牌号材料，但铸锭性能不稳定、批次差异大、成材率不高，导致成本过高。目前国内的铸造模具体系已较为完善，具备设计和生产能力，但部分技术含量高、制造难度大的压铸模具还需进口。由于国内工艺技术不成熟，镁合金循环在利用方面的标准法规还不健全。镁合金在车身上的应用如图5所示。
图5 镁合金在车身上的应用
3.3 高强钢
采用高强度钢能够降低钣金件厚度，提高部件疲劳特性，增强汽车部件在碰撞中的吸能特性。汽车用高强度钢主要应用于车身结构件，如车身加强板、横梁、纵梁、内板等零件，汽车轻量化后保证碰撞安全性的最主要材料，合理选用高强度钢有助于汽车轻量化。相对于其他材料，高强度钢的性价比最高、现阶段最主要的材料。车身加强件、结构件等主要采用 590 MPa级高强度钢板。汽车前防冲柱、中心梁、前边梁和B柱等已有厂家使用780 MPa、 980 MPa级超高强度钢板。有些厂家甚至将390 MPa、440 MPa 级高强度钢板冲压成形后，对强化部分进行高频加热和淬火，以使部件抗拉强度达到1 000 MPa 以上。车身结构件常用的钢板种类有：双相钢( DP 钢)、TRIP钢、TWIP 钢。国内第一代先进高强度钢目前技术成熟，但成本与性能相对一般，已在汽车行业广泛应用;第二代先进高强度钢性能有大幅提升，技术基本成熟、有部分应用、但价格太高、限制了推广应用;目前国内自主品牌的高强钢比例平均为50%，基本与国内合资品牌、国外车型持平。
3.4 非金属材料
3.4.1 碳纤维材料
碳纤维材料是以碳纤维编织或多层复合而成的材料，主要应用在外覆盖件和结构加强件。特点主要有：①轻质高强，密度约为钢的1/5(1.5 g/cm3);②强度为1 500～3 000 MPa(单向铺层);③可设计性强、集成度高;④可通过调整铺层厚度和纤维方向实现不同性能要求;⑤合理的拼搭接方式使得零件集成化;⑥抗疲劳性能优良;⑦疲劳强度达到静载荷强度的70%～80%;⑧热膨胀系数低;⑨热膨胀系数约为钢材的1/4。
3.4.2 玻纤增强复合材料
玻纤增强复合材料密度一般为1.3 g/cm3,仅为钢的1/6，具有比强度高、耐冲击性、耐老化性好等优点，且能够实现模块化设计，已经在前端模块、尾门、蓄电池托盘等车身零件上得到了广泛的应用[4-5]，相比钢材能够实现50%左右的减重。玻纤增强复合材料还具有良好的结构抗撞性，在碰撞中使力和能量传递更加合理。采用玻纤增强复合材料设计还有利于平台化设计，实现最大限度的结构轻量化。以玻纤增强复合材料在车身前端模块上的应用为例，如图6所示，塑料前端模块具有以下优势：①能够降低尺寸链，容易控制尺寸精度，而车身冲压件模具套数上百套，尺寸控制困难;②提高整车的装配精度，主机厂焊接、总装成本降低，产线缩短，降低公司运营成本;③可以集成化供货，减少总装产线成本，控制流程缩短;④单件减重50%，减重5 kg，轻量化优势明显。
图6 玻纤增强复合材料在车身前端模块上的应用
3.5 高密度结构泡沫
高密度结构泡沫是一种常温下依靠化学反应成型的车身空腔填充物，填充后即刻发泡并固化成型，对车身进行加强。技术难点是结构泡沫的模拟分析。
与传统车身结构加强方案相比，高密度结构泡沫的优势在于轻量化减重效率为50%～70%; 高结构适应性：对于结构复杂的接头区域，使用传统的金属加强件较难实现，如果使用高密度的结构泡沫，可以较为简单地将接头空腔区域完全充满，如图7所示。
图7 高密度结构泡沫在车身上的应用
4.1 高强钢辊压成型
辊压成形工艺是通过顺序配置的多道次成形轧辊，把金属板带持续进行横向弯曲，制出特定断面的型材产品。辊压成型适用于高强度钢，生产效率高、利用率高、零件易于平台化。高强度辊压成型工艺主要应用在保险杠防撞梁、车门防撞梁、车身门槛、座椅导轨等零件。
4.2 热成型
将高强度钢经950 ℃高温加热至奥氏体化状态，保证一定压力，以大于27 ℃/s的冷却速度冷却，形成组织均匀的马氏体组织，此时抗拉强度一般会达到1 000～1 600 MPa。热成型零件回弹小，零件尺寸精度高。
4.3 整体式门环
整体式门环的应用能消除接头位置碰撞应力集中、分散受力、消除搭接间隙小无法电泳问题。整体式门环实现多件合一的集成设计，减少了冲压和拼焊工序。
4.4 变厚度板
变厚度板是通过控制轧辊的间距变化，使轧制出的薄板具有预先定制的变厚度分布，变厚度板制成的零件在不同部位有着不同厚度特征，从而满足车身零件多种设计的需要。工艺特点：不等料厚的板料生产基于冷轧工艺;均匀过渡区、无热影响区、无缺口效应、无应力集中。TRB优势是实现减重、零件集成、性能提升。变厚度板在车身上的应用区域如图8所示。
图8 变厚度板在车身上的应用区域
4.5 激光拼焊板
激光拼焊板是将不同厚度、不同材质、不同涂层的钢材通过激光焊接方式焊接成一块整体板，实现零部件对材料性能的不同要求。激光拼焊也可以把不等厚度的相同材质材料焊接成整块板再一起冲压，既能实现减少零件数量，又能提高材料利用率。采用激光拼焊板可减少零件搭接边和焊点，实现零件质量减轻24%，焊点减少49%，零件数量减少19%，生产时间减少21%，在汽车行业应用较为广泛。激光拼焊板在车身的加强板和内板上有广泛的应用，因为激光焊接位置有明显痕迹，而外覆盖件对外观有高要求，所以外覆盖件一般不采用激光拼焊板。
4.6 弯管成形
采用圆管作为成形毛坯，使用充液成形技术、气胀成型、三维辊压来完成制造，该工艺较多应用在车身结构件上。弯管成形减少了需要焊接的部件，具有形状稳定性、一致性高的优点，适用于复杂形状部件的成形。弯管成形增加了形状设计的自由度，减少了部件的数量，这些均有利于实现汽车车身的轻量化。车身的A柱边梁与前端上纵梁采用多种非等截面的弯管成形工艺，使得与不同安装面的匹配更加自由灵活，并有效提升空间和刚度及部分集成，也有利于车身平台化。
本文综述了实现车身轻量化的结构设计与优化方法、新材料、新工艺。轻量化是节能减排的重要手段，也是新四化的重要支撑。车身轻量化技术涉及原材料、工艺、整车性能等，需要产业上下游协同创新。车身轻量化没有终点，不同的阶段需要采用不同的轻量化技术。轻量化作为汽车行业的核心和关键技术，需要更加深入地研究和探讨，助力国家碳达峰、碳中和的发展目标。
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