新材料与工艺手册

汽车设计轻量化

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发表于 2014-4-29 00:00:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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轻量化这一概念正好起源于赛车运动,设计师们通过减轻赛车重量使赛车有更好的操控性,同时发动机输出的动力能够产生更强劲的加速度,起步时加速性能更好,刹车时制动距离更短。随着“节能环保”要求的提出,轻量化设计也广泛应用到普通汽车领域,因为汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车总重量,更轻的重量意味着获得相同动力时更少的燃油消耗和尾气排放,同时可以降低噪声、提升操控性、可靠性。研究数据表明,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽车重量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升;汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%。因此,轻量化设计成为汽车行业技术发展的一大趋势。
        当然,汽车的轻量化是要在保证汽车的强度和安全性能的前提下去尽可能地降低汽车的整体质量。目前实现轻量化设计的主要途径有结构轻量化、特种加工、材料轻量化三种。
        1)结构轻量化,即通过结构优化设计来对汽车的拓扑结构、形状、尺寸进行改进,从而降低汽车结构重量。结构轻量化并非盲目的去简化结构,所以还要通过有限元仿真来验证轻量化设计是否满足结构强度、刚度、稳定性要求,并找出最优设计。
        2)特种加工,主要包括应用先进的连接方式(如激光拼焊板)和先进的成型方式(如柔性轧制)。其中在进行材料连接时,也会充分运用有限元分析技术进行断面形状优化设计。
        3)材料轻量化,采用高强度钢板和轻质材料(有色合金、铝合金镁合金塑料碳纤维、高强复合材料等),其中高强度复合材料的应用是未来汽车制造中的热点。
        由于先进的加工工艺和高强轻量材料应用成本较高,导致这两种方法只能小规模的应用在小排量车上,因此,结构轻量化设计就成为目前应用最广泛的方法。
        目前在汽车结构轻量化设计方面主要存在三个问题:
        1)轻量化研究大多集中在汽车研发后期,仅针对现有车型车身钣金件进行材料强度和厚度的减重优化设计,并没有涉及到车身骨架的开发。这种减重优化效果并不明显,应该在早期的汽车概念设计阶段就将结构轻量化的思想融入结构设计中,结合架构形式与相关布置尺寸的确定过程,通过运用有限元分析技术得出各设计参数对各性能和重量的影响规律,并比较得出最优方案,确定出可行的轻量化方案,做到重量和性能的平衡,而不是到车辆开发的后期才考虑减重。
        2)轻量化设计多采用单一优化设计目标,优化后再通过其他性能对优化结果进行验算,并没有综合考虑多方面因素所产生的共同效应,导致轻量化不是系统整体的最优解。或者是单学科工况,优化后再针对其他学科工况进行验算和结果修正,并没有直接进行多学科的集成优化。车身轻量化优化设计需要考虑车身各项性能,是一个多目标多学科的集成优化设计过程,应找到系统整体的最优解。
        3)主要集中对零件材料强度和厚度进行减重优化,没有综合考虑零件的拓扑关系、截面尺寸等因素,导致轻量化设计的潜能没有完全发挥出来。车身结构是一个整体系统,各零件的拓扑关系、截面尺寸、位置、材料强度与厚度共同影响着车身各项性能。
        所以,在汽车研发早期的概念设计阶段就应该引入轻量化思想,综合考虑零件尺寸、形状、拓扑关系等参数变量,进行多学科多目标的轻量化设计。兼顾汽车性能和重量,运用有限元仿真技术分析出各设计变量对性能和重量的影响,找出最优方案。同时还应注重仿真优化知识的积累,为之后的汽车开发提供指导,提高开发效率。
发表于 2018-2-27 15:45:32 | 显示全部楼层
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