摘 要：輕量化是汽車開發(fā)中的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，是汽車節(jié)能減排的有效手段，整車重量構(gòu)成中車身重量的比例 較高，對(duì)整車輕量化有重要的意義。在車輛平臺(tái)化開發(fā)過程中，將車身輕量化設(shè)計(jì)理念融入平臺(tái)項(xiàng)目開發(fā)的全流程 中，通過輕量化材料、輕量化工藝和輕量化結(jié)構(gòu)的技術(shù)路線，應(yīng)用參數(shù)化建模、參數(shù)化優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、斷面優(yōu)化、 成型性和材料利用率優(yōu)化等虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，結(jié)合多學(xué)科多性能的輕量化協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分兼顧剛度強(qiáng)度等性 能，兼顧布置、造型、裝配、工藝、成本等需求，達(dá)到了更優(yōu)的白車身全局平衡，最終實(shí)現(xiàn)了五星安全車身、超高 剛性車身，達(dá)到了比肩全鋁車身的輕量化系數(shù)水平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高車身材料利用率、低研發(fā)費(fèi)用、低整車成本，并 在平臺(tái)化的車型開發(fā)中形成輕量化車身開發(fā)流程和性能評(píng)價(jià)體系。

　　關(guān)鍵詞：白車身;輕量化;平臺(tái)化

　　前言

　　汽車車身尤其是白車身的輕量化是整車輕量化的重要部 分，也對(duì)整車輕量化起著非常重要的作用[1]。輕量化結(jié)構(gòu)開 發(fā)是一個(gè)跨學(xué)科的復(fù)雜過程，需要考慮性能、重量、布置、 造型、裝配、工藝、成本等需求，以達(dá)到更優(yōu)平衡點(diǎn)，這使 得輕量化工作變得復(fù)雜，也使得從整體系統(tǒng)的角度去考慮車 身輕量化顯得尤為重要。 在本文中，將輕量化列為某核心技術(shù)，通過某平臺(tái)化開 發(fā)，建立了一套系統(tǒng)的白車身輕量化設(shè)計(jì)體系和性能評(píng)價(jià)體 系，為以后的平臺(tái)化、多車型開發(fā)提供了依據(jù)。

　　1 輕量化的技術(shù)路線

　　材料、工藝和結(jié)構(gòu)三大輕量化技術(shù)路線各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)， 在應(yīng)用時(shí)候又常常相互關(guān)聯(lián)。通常情況下，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)件 的需求進(jìn)行統(tǒng)籌的選擇，各種結(jié)構(gòu)件的性能需求和連接工藝 會(huì)使得設(shè)計(jì)難度增大，必須在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件時(shí)考慮這些復(fù)雜的 情況，掌握材料特性及其生產(chǎn)工藝的相關(guān)知識(shí)，將不同的材 料、工藝和結(jié)構(gòu)有效的結(jié)合，才能形成創(chuàng)新性的解決方案。

　　1.1 輕量化材料

　　材料選擇最初的目標(biāo)是確定所要使用材料的要求特性， 然后進(jìn)行實(shí)際材料的選擇，以從多種可用材料中濾出最適合 的候選材料[2]。公司輕量化材料應(yīng)用方面主要是應(yīng)用高強(qiáng)度 鋼板、鋁合金、非金屬材料;相應(yīng)的研究方向分別和大學(xué)、 研究所等單位開展了深入的合作研究。 高強(qiáng)度鋼板、鋁合金和非金屬材料的優(yōu)缺點(diǎn)各有不同。 充分應(yīng)用它們的特性是優(yōu)化選材的關(guān)鍵。

　　以往憑借經(jīng)驗(yàn)選材， 為了保證關(guān)鍵部位的性能，往往會(huì)導(dǎo)致白車身成本增高。針 對(duì)三類輕量化材料特性的不同華晨分別采用以下的方式進(jìn)行 優(yōu)化選材：高強(qiáng)度鋼板的優(yōu)勢(shì)在于高比強(qiáng)度和通用的連接技術(shù)，應(yīng) 用的關(guān)鍵在于獲得全局最優(yōu)的材質(zhì)和材料厚度方案，通過參 數(shù)化優(yōu)化，分辨出對(duì)比強(qiáng)度敏感的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)用高強(qiáng)度鋼板， 可以在保證性能的同時(shí)獲得最優(yōu)的輕量化效果。

　　高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用比例已經(jīng)超過 60%;先進(jìn) 高強(qiáng)鋼用量已經(jīng)高達(dá) 25%。 鋁合金比具有相同剛性的鋼制部件既可吸收高得多的彈 性能量，也可吸收較高的變形能量[3]。應(yīng)用這一特點(diǎn)，將其 應(yīng)用在防撞橫梁上，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)性能的同時(shí)，采用螺栓連接 還能規(guī)避鋼和鋁連接的問題。相比傳統(tǒng)的鋼制前防撞梁重量 能降低 50%左右。 非金屬材料構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)，某平臺(tái)采 用的全塑前端框架進(jìn)行功能和構(gòu)件的整合，實(shí)現(xiàn)了減重 38%。

　　通過與 7 家單位聯(lián)合開展《汽車低成本熱塑性碳纖維復(fù)合材 料零部件聯(lián)合開發(fā)》項(xiàng)目，進(jìn)行乘用車頂蓋橫梁零件的應(yīng)用 技術(shù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了減重 56%，雖然沒有在目前量產(chǎn)車型應(yīng)用， 但為后續(xù)低成本熱塑性碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　1.2 輕量化工藝

　　輕量化工藝是指生產(chǎn)制造、加工裝配過程中減輕重量的 潛力。此平臺(tái)在輕量化工藝方面主要從焊接工藝、熱成型、 輥壓成型、激光拼焊、等方面開展工作： 焊接工藝通過機(jī)器人系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用提高焊接精度和質(zhì)量，使得板件焊接重合面寬度可以減少 1-2mm，可以實(shí)現(xiàn)整車減重 0.4%左右。

　　熱成型和輥壓成型工藝技術(shù)，可以克服傳統(tǒng)沖壓工藝下鋼板回彈嚴(yán)重、成型困難、容易開裂等難題，是一種獲得超 高強(qiáng)度沖壓件的有效途徑，此平臺(tái)車身熱成型和輥壓成型零 件占比約 6%，實(shí)現(xiàn)零件減重 30%左右。 激光拼焊屬于整體結(jié)構(gòu)的一種，對(duì)零件進(jìn)行整合，進(jìn)而 減少零件搭接重量，此平臺(tái)的門內(nèi)板等零件采用了激光拼焊 技術(shù)。實(shí)現(xiàn)零件減重 37%左右。

　　1.3 輕量化結(jié)構(gòu)

　　新材料新工藝的突破為白車身輕量化提供了技術(shù)的支 持，但其高成本很難得到市場(chǎng)的認(rèn)可。與新材料和新工藝相 比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化有助于精益設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 如雅閣，馬自達(dá) 2 等車型都大量使用了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的輕量化方 案。此平臺(tái)輕量化結(jié)構(gòu)主要從整體結(jié)構(gòu)和形狀優(yōu)化兩個(gè)方面 開展： 整體結(jié)構(gòu)的目的是通過功能集中整合或者零部件的整合 盡可能的減少零部件數(shù)量，減少連接結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是零部件 的重量最輕且連接工藝成本較低。

　　此某平臺(tái)使用創(chuàng)新的結(jié)構(gòu) 方案和變軸距共模具技術(shù)，在滿足平臺(tái)化車型尺寸帶寬變化 的同時(shí)實(shí)現(xiàn)零部件整合，減重的同時(shí)節(jié)約模具約 70 套。應(yīng)用 塑料前端模塊功能集中整合、中通道總成零件整合等整體結(jié) 構(gòu)方案。取得了零件 10%-40%的重量減輕。 以往項(xiàng)目的形狀設(shè)計(jì)大多以參考結(jié)構(gòu)車型為主，形狀優(yōu) 化還有非常大的潛力可以發(fā)掘。在此平臺(tái)開發(fā)中，通過研究 形狀因數(shù)與應(yīng)力類型的關(guān)系，建立了環(huán)狀結(jié)構(gòu)、接頭優(yōu)化等形狀的受力分析理論，并引進(jìn) Section AD 軟件對(duì)斷面特性進(jìn) 行分析，通過對(duì)形狀因數(shù)分析總結(jié)，為正向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立了 堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　2 虛擬產(chǎn)品開發(fā)

　　計(jì)算機(jī)輔助開發(fā)更傾向于沒有建立物理原型前的虛擬驗(yàn) 證。在創(chuàng)新輕量化產(chǎn)品開發(fā)中，計(jì)算機(jī)輔助工程在原有的虛 擬驗(yàn)證的同時(shí)更多的面向輕量化優(yōu)化工作，通過不同計(jì)算變 體，在工程師有風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了量化陳述，甚至 代替了工程師的有風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)[4]。此平臺(tái)開發(fā)，從概念設(shè)計(jì) 階段開始，通過隱式參數(shù)化建模的方法建立一個(gè)全參數(shù)化白 車身模型，采用分步優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，在保持對(duì)整車性能控 制的同時(shí)，使輕量化設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)過程。在不同階段分別針 對(duì)整車模態(tài)、彎扭剛度、碰撞性能和質(zhì)量等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化[5] 。 具體體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的以下幾個(gè)方面。

　　2.1 參數(shù)化建模

　　傳統(tǒng)的 CAD 設(shè)計(jì)過程限制了設(shè)計(jì)的可更改性，需要車 身結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí)，將造成零件設(shè)計(jì)的改動(dòng)工作量非常巨大，不 利于輕量化的設(shè)計(jì)效率。 此平臺(tái)項(xiàng)目采用 CATIA 軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)建模，模型 中的點(diǎn)、線、面等條件通過參數(shù)關(guān)聯(lián)，在這些參數(shù)模型結(jié)構(gòu) 的幫助下，可以通過改變參數(shù)和設(shè)計(jì)步驟，快速地進(jìn)行設(shè)計(jì) 更改。從而從產(chǎn)品構(gòu)思到產(chǎn)品虛擬呈現(xiàn)的時(shí)間周期減少約 6 個(gè)月，在輕量化產(chǎn)品開發(fā)中取得了突出到成效。

　　2.2 參數(shù)化優(yōu)化

　　使用主要斷面和 CAS 可以快速搭建車身的 SFE 參數(shù)化 模型。采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畹母淖兒桶寮�材�?與材料厚度的改變，通過優(yōu)化平臺(tái)對(duì)車身模型的斷面、接頭 和加強(qiáng)件等類似參數(shù)進(jìn)行控制更改、網(wǎng)格劃分和計(jì)算求解， 配合科學(xué)的優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化，最終得到車身各性能 均滿足要求的最佳的車身尺寸方案，獲得全局最優(yōu)的減重分 析結(jié)果和穩(wěn)健性設(shè)計(jì)。在此平臺(tái)開發(fā)中成功應(yīng)用了參數(shù)化優(yōu)化技術(shù)，車身重量 較初始的概念模型減少了 37Kg，并且將該階段的研發(fā)時(shí)間縮 短了兩個(gè)月。

　　2.3 拓?fù)鋬?yōu)化

　　載荷路徑優(yōu)化并不是新技術(shù)，以往完全依賴于工程師憑 借經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)修改后輔以仿真驗(yàn)證，其效率低下且效果不佳。 在項(xiàng)目初期通過對(duì)白車身進(jìn)行拓?fù)浞治觯�可以為結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)工程師提供參考，有針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化。搭建拓?fù)鋬?yōu)化的思路，通過內(nèi)外飾的造型和總布置圖等確認(rèn)優(yōu)化設(shè) 計(jì)空間，加以工況的約束條件，通過軟件計(jì)算分析最后得到 可以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的載荷路徑。

　　2.4 斷面優(yōu)化

　　雖然分析軟件應(yīng)用已很廣泛，但主要是針對(duì) 3D 模型的 分析，如果在前期的 2D 斷面階段可以對(duì)性能的評(píng)估，可以 避免項(xiàng)目后期的重大設(shè)計(jì)更改，縮短開發(fā)進(jìn)度。 此平臺(tái)項(xiàng)目中，引進(jìn)了 Section AD 軟件，可以通過 2D 斷面快速評(píng)估不同的設(shè)計(jì)方案，如材料對(duì)最大軸向載荷及彎 矩的靈敏度等，得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)截面尺寸、厚度、形狀等， 實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目前期的性能評(píng)估和優(yōu)化。

　　2.5 成型性和材料利用率優(yōu)化

　　項(xiàng)目前期供應(yīng)商沒有介入時(shí)，沖壓成型零件工藝性和板 料成本無(wú)法評(píng)估。為解決了這問題，引入 FTI 白車身同步工 程系統(tǒng)，可以快速實(shí)現(xiàn)零件的沖壓可行性和板料利用率評(píng)估， 形成沖壓薄板零件成本控制方案，同時(shí)提高了項(xiàng)目開發(fā)的整 體效率。通過軟件對(duì)板料排樣，如圖 4，進(jìn)行分析和優(yōu)化， 可以提高整車材料利用率 2%左右。

　　3 輕量化產(chǎn)品開發(fā)流程

　　以往的白車身開發(fā)主要以造型和空間、安裝硬點(diǎn)等幾何 需求進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，CAE 性能分析和優(yōu)化只針對(duì)三維數(shù) 據(jù)，并且主要集中在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及驗(yàn)證階段，較少在開發(fā)前期 的可行性分析和概念確認(rèn)階段進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。而前期的方 案定義會(huì)對(duì)輕量化技術(shù)路線的選擇產(chǎn)生重大影響。

　　此平臺(tái)項(xiàng)目將輕量化開發(fā)融入車型項(xiàng)目開發(fā)流程的全過程中，系統(tǒng)的進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目可行性分析階段應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化，整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、SFE 參數(shù)化優(yōu)化進(jìn)行傳 遞路徑規(guī)劃和性能摸底;概念確認(rèn)階段通過斷面優(yōu)化、板厚 優(yōu)化，輕量化選材、形狀優(yōu)化等方法進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)和整體 性能提升并持續(xù)優(yōu)化直至產(chǎn)品設(shè)計(jì)及驗(yàn)證階段，形成設(shè)計(jì)和 優(yōu)化的全流程系統(tǒng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)性能、重量、布置、造型、裝 配、工藝、成本等的全局最優(yōu)化。

　　4 輕量化白車身的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

　　在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，一般的中低端車型對(duì)成本都很敏 感，面臨很大的成本壓力。另外，客戶對(duì)產(chǎn)品的要求在不斷 提升，這些都對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)提出了越來越高的挑 戰(zhàn)，也使得輕量化的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯得尤為重要。 某在產(chǎn)和即將上市的三款車型銷量規(guī)劃共計(jì) 110 萬(wàn)輛， 其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益如下： 通過輕量化優(yōu)化，單臺(tái)減重約 50kg，按照平均車身成本 效率為 15rmb/kg 計(jì)算，生產(chǎn)成本節(jié)省約 8.3×108rmb。

　　通過材料利用率提升，單臺(tái)車身材料成本降低約為 20rmb，全生命周期銷量可節(jié)省材料費(fèi)用約 2.2×107 rmb。 汽車自身重量每減輕 100kg，則 100km 的燃油消耗量可 以減少 0.2-0.8L[6]，假設(shè)油耗可降低 0.6L，每輛汽車行駛 3 ×105 km 估算，可節(jié)省燃油約 9.9×108 L。 按照汽車自身重量每減輕 100kg，100km 碳排放下降 1.12kg，每輛汽車行駛 3×105 km 估算，碳排放減少約 1.8× 109 kg。

　　5 結(jié)論

　　在此平臺(tái)的白車身開發(fā)過程中，綜合應(yīng)用三大類的輕量化技術(shù)路線，創(chuàng)新應(yīng)用了參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、斷面 優(yōu)化、多學(xué)科多性能輕量化協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)等虛擬產(chǎn)品開發(fā)技 術(shù)。通過車身新材料新工藝的開發(fā)，整合了高校、原材料供 應(yīng)商和零部件供應(yīng)商的資源，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，提升了在 國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。其中某車型在行業(yè)頂級(jí)會(huì)議“中國(guó) 汽車工程學(xué)會(huì) 2018 年會(huì)”上獲得“輕量化車身會(huì)議二等獎(jiǎng)”。

　　汽車論文投稿刊物：《汽車工程學(xué)報(bào)》是由中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司主辦的期刊。辦刊宗旨是刊發(fā)汽車工程技術(shù)理論及試驗(yàn)研究成果，反映汽車設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的新材料、新技術(shù)和新趨勢(shì)，推進(jìn)汽車工程研究和汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　此平臺(tái)的白車身開發(fā)中，為開發(fā)出高品質(zhì)的輕量化車身， 進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，開發(fā)出許多新的工程解決方案， 編寫多項(xiàng)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和流程，發(fā)布了大量專利論文。平臺(tái)實(shí) 現(xiàn)了五星安全車身、超高剛性車身，達(dá)到了比肩全鋁車身 的輕量化系數(shù)水平。同時(shí)鍛煉出一支愛崗敬業(yè)，勇于拼搏， 技術(shù)過硬的隊(duì)伍，為實(shí)現(xiàn)輕量化同步設(shè)計(jì)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 面對(duì)國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)激烈的汽車市場(chǎng)，車身設(shè)計(jì)開發(fā)要善于運(yùn) 用新的材料和技術(shù)、大膽嘗試、勇于創(chuàng)造，才能不斷實(shí)現(xiàn)新 的突破。

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　　作者：趙廣，孟慶威，李紅，王松