新能源汽车结构轻量化设计

0 引言

随着我国科学技术的不断的发展，人类的生活环境也越来越糟糕，为了减轻环境的压力，减少造成的污染。越来越多的新能源厂商致力于开发节约型、环境友好型新能源汽车。目前，就各个国家汽车制造商的的生产经营状况来说，更多的企业选择提出了符合本企业持续发展的理念和想法，而汽车自重的问题，限制了新能源汽车的行发展，难以实现行驶里程突破性的发展。因此，对于新能源汽车的生产制造商而言，进行轻量化设计是其所面对的最本质的问题。

1 新能源汽车身轻量化的原因

当前，汽车制造业发展迅速的。生产汽车的技术水平也越来越高。与此同时，各个国家就汽车能耗而言，也提出了相应的规范标准。在高新技术的不断发展的同时，汽车的轻量化设计是汽车制造商用以降低能耗的首选目标，同时也是保证汽车耐久性和动力性的前提。在轻量化设计时，往往要求设计师根据实际情况，选择整体化的优化设计方案，以满足设计目标的要求，创造更多的经济效益和社会效益。

2 新能源汽车车身轻量化设计方法分析

目前来说新能源汽车轻量化技术主要分为三种。首先是针对设计的，轻量化设计要求设计师对汽车的尺寸和外观进行优化，从尺寸和外观上最大限度的降低汽车的重量。其次是材料的轻量化，轻量化材料多种多样，主流的轻量化材料有各种合金材料例如镁、铝合金等，还包括高强度合金钢以复合材料，如碳纤维复合材料。最后是制造工艺的轻量化，例如采用先进的工艺方法如激光焊接等先进的连接工艺和液压成形技术。

2.1 进行轻量化的设计

在新能源汽车的设计过程中，设计者需要从汽车的总体布局入手，充分利用CAD技术，优化新能源汽车的设计，选择最优的布局，提高整体结构的合理性，特别是在关键环节的设计中，要充分考虑安全性新能源汽车的性能、动力性能和节能性能，有效降低汽车能耗，防止对周围环境的不利影响。在新能源汽车产业快速发展的背景下，对汽车动力性提出了更高的要求和标准。就当前的发展趋势而言，新能源汽车的轻量化设计逐渐成为当前行业的主流。因此，CAE技术应用广泛。实际的设计过程中，车辆整体刚度是设计师必须要保证的前提，在此基础之上采用拓扑设计方案，目的是尽量降低汽车本身的重量。在设计的初期，设计师对车身（即其尺寸和外观）采取轻量化设计，轻量化的设计效果可以预见，避免了在以后的设计过程中频繁变化而出现问题。前期的设计能够有效降低汽车的生产成本，并且设计人员的工作强度也能够得到有效的缓解。同时，设计人员需要全面更新数据库，全面验证数据，确保设计质量。

图1 轻量化设计

2.2 新能源汽车车身轻量化设计材料分析

为了提高新能源汽车车身轻量化设计的效果，新材料也得到了越来越多的应用，并且也发挥了关键性的作用。目前，新材料可以减轻车身重量，目前主流的轻质材料主要有两种：一种是合金材料等轻质材料包括镁合金和铝合金等；还有一种是高强材料，例如高强度不锈钢和碳纤维复合材料等。

一是采用高强度轻质材料。目前，随着金属材料和复合材料的应用，在减少了成本的同时，也满足了车辆安全的要求，有效的提高了制造工艺水平。在实际生产过程中，主要采用不同性能的高强度钢。整体而言，汽车的生产使用是的钢材，因此钢材的选用对汽车重量的减轻至关重要。但目前的难题是成形技术，采用高强材料进行成型时经常出现颈缩和开裂现象。

其次，目前许多新材料被广泛应用于新能源汽车车身轻量化设计和制造过程中。其中铝合金具有优良的延展性、稳定性和轻质性等优点，正在逐渐成为新能源汽车轻量化主流材料。但是和其他材料相比铝合金通常强度较低，为了改善这种特点往往加大投资力度。镁合金在使用过程中展现出密度低、流动性好等优点，在美国和欧洲得到了广泛的应用。但从我国新能源汽车的应用现状来看，受成本和成型工艺的影响，它主要应用于变速器壳和铸造镁合金零件。

随着复合材料的应用，在汽车轻量化设计过程中得到了广泛的应用，主要应用于汽车内部、外部装饰、管道和内部零件。碳纤维具有良好的高抗扭刚度和实用集成性，在新能源汽车的安全设计中具有良好的效果。然而，由于材料和生产成本的影响，碳纤维在汽车的实际应用中遇到了很大的障碍。由此可见，采用现代新材料代替传统的制造材料，提高了车身的轻量化程度。这些材料具有强度高、重量轻的特点，大大提高了汽车的性能。但从实际生产效果来看，新材料成本相对较高，整体结构也相对复杂，这对设计师提出了更高的要求和标准。

2.3 采用先进的生产工艺

目前，在汽车车身轻量化制造过程中，激光焊接技术和热成形技术被广泛应用。激光焊接起源于上个世纪。在该技术的初步发展中，有效改善了钢板宽度不足的现象。目前，激光拼焊制造技术应用广泛，特别是在汽车制造行业中激光拼焊技术解决了许多技术性难题。在实际生产过程中，使用激光拼焊接技术能够有效保证零件的质量，同时也减少了材料的损耗，进而降低了成本。对比于传统的生产工艺，新技术可以在提高车身强度方面发挥重要作用，通过减少零部件数量，有效降低新能源汽车的成本。同时，激光焊接技术能有效消除搭接，提高防腐性能。在实际生产过程中，得到了广泛的应用。但是受限于本身的技术水平，开发高质量的激光拼焊板材料显得至关重要。目前来说，铝板与钢板的焊接技术已经逐渐成熟。在热成形技术的实际应用中，将高强度钢板加热到接近奥氏体的温度，然后转移到冷却系统的模具中进行有效的冲压。以上步骤完成后，设计人员需要做好保压降温工作，并用全部材料进行强力热成型。采用该技术，材料的抗拉强度可提高到1700Mpa，可以减轻新能源汽车的重量，提高汽车的强度，保证汽车的安全。

3 新能源轻量化评价

在进行新能源汽车的轻量化设计时，可以有效节约生产成本，同时也大大提高了汽车的安全性能，降低汽车的总重量。根据实际设计情况，仅仅是减轻车辆重量还不够，无法满足轻量化的要求。因此需要充分结合车辆本身的的不同性能参数，例如，新能源汽车的车身重量、轻量化系数、车身静扭转刚度、轴距等，设计出高质量的新能源汽车。在目前新能源汽车的设计过程中，需要对挡风玻璃的承载能力进行分析，从覆盖件、车身和悬挂系统等方面进行优化设计，并根据实际情况采取合理的设计值。实际使用过程中，与汽车的安全性紧密联系的是汽车的静、动刚度，汽车的动、静刚度可以有效提升车身的抗冲击性能。当侧面碰撞或正面碰撞发生时，新能源汽车车身可以吸收一定的碰撞而产生的能量，进而保证驾驶人员和乘客的安全。

4 结论

综上所述，新能源汽车车身轻量化设计对设计师提出了更高的要求和挑战，设计师应根据实际情况，在执行相关规范标准的基础之上，对新能源汽车整车设计理念要有相应的认识，同时也是最重要的是满足新能源汽车设计的耐久性和安全性。最后，在实际设计过程中，设计师采用的材料尽可能是新型轻质材料，不断提高车辆性能，达到节能降耗的目的，促进新能源汽车的健康发展。

（科学与技术 作者：徐宵龙 ）

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