钛合金同样是一种综合性能十分优异的轻质合金材料,具有体积质量小、比强度和比断裂韧性高、疲劳强度和抗裂纹扩展能力好、低温韧性良好、抗腐蚀性能优异、抗阻尼性能强、耐热性能好及吸气性能好等优点。目前制约其发展的主要因素也是价格高昂。
(2)高强度钢:高强度钢是指屈服强度介于210~550 MPa的钢材,而屈服强度超过550 MPa的钢材则称为超高强度钢。
目前高强度钢主要应用在汽车安全件、底盘及车身等方面,特别是车身座舱的A、B柱,门槛,车顶边梁以及底盘中央通道等关键部位上,可以大幅度提高车辆保护车内人员安全的能力。
与普通钢相比,高强度钢能够大幅增加构件的变形抗力,提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。在同等强度等级下,高强度钢可以通过减薄零件来达到减轻车身质量的目的。比如,北汽新推出的EC180,据说其车身采用了54%的高强度钢。
(3)复合材料:复合材料是指由2种或2种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,提高材料的综合性能。
复合材料具有体积质量小、比强度和比模量大、耐磨耐蚀性好及加工成型方便等优点,正逐步取代金属材料,在汽车工业中发挥着越来越重要的作用。目前复合材料在车身中的应用主要有玻璃纤维增强塑料(GFRP)和碳纤维增强塑料(CFRP)。
CFRP作为车身材料,具有质量轻和强度大的特点。与钢材相比,CFRP的体积质量只有钢材的20%?30%,而硬度却是钢材的10倍以上,这使得CFRP车身比钢质车身减轻50%以上,比铝质车身减轻约30%。除此之外,CFRP还具有良好的抗疲劳性、碰撞吸能性及制造工艺性,这些优点都适应轻量化车身材料的需求。
比如,宝马i3就采用了碳纤维增强复合材料(CFRP)车身,主要以聚丙烯腈的热塑性纺织纤维为原材料,在一定的压力和温度下,转化成极其细长的碳纤维丝线,最后再经过相应的氧化和碳化处理,形成车身材料。
(4)工程塑料:目前已经使用工程塑料制造的有车身、车身翼子板、车身前后保险杠、车门内板、挡泥板等,与相同结构性能的金属材料相比实现减重40%,且其耐腐蚀性良好,吸能性能好,可以有效缓冲吸收低速状况下的轻微碰撞而无需维修或者更换部件,设计与制造工艺上比金属材料在造型上的自由程度更大,从制造性、成本、安全性方面考虑,它都是轻量化设计理想的材料。
比如,大家很熟悉的smart车型就大量使用了工程塑料,如下图所示。
二、轻量化结构设计
轻量化设计方法贯穿了汽车从概念设计、初始车身结构设计到产品工程设计、样车试制过程等几乎整个设计过程。
(1)车身结构优化设计
车身结构的轻量化优化设计主要从两个方面着手:一是研究开发新的设计方法,从设计概念与理论上着手进行创新,以开发出先进的材料技术或者车身造型和制造技术;二是设计车身轻量化结构形状,以按实际工况为先导来对车身结构的形状进行优化设计,优化车身的空间结构,优化车内的空间布置,减少车身的零部件数量,同时对各个零部件进行轻量化优化,减小汽车零部件的结构尺寸和厚度。
(2)优化设计
优化设计是将数学中的最优化理论与工程设计相结合,将实际设计问题转化为最优化问题,根据设计对象不同,结构优化设计按设计变量的类型可以分为结构尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化4个层次。拓扑优化设计具备以下作用:
a. 避免零件设计的盲目性,改善模仿其他产品设计所带来的缺陷;
b. 提髙材料的利用率,减薄零部件的厚度,改善零部件的结构设计,减少材料的浪费,减轻零部件的质量;
c. 得到最优的模态、静动态力学性能,提升零部件的品质;
d. 减少或者简化了车身上不必要的复杂结构使其制造上得以简化。
联系客服