试分析机械工程前沿研究在汽车轻量化中的应用前景

　　引言
　　汽车质量降低10%，燃油效率可提高6%   8%，汽车车身约占总质量的30%，空载情况下，约70% 的燃油耗用在车身质量上。在能源日趋紧张、环境压力加剧的情况下，轻量化已成为汽车工业的重要课题。
　　轻量化是在保持汽车整体性能和造价不变的前提下，通过降低汽车自身质量来提高输出功率、车速、操纵性、可靠性和安全性，降低噪声、油耗和废气排放量，主要通过结构优化，采用高强度钢材、镁铝合金，以及改进工艺提高整车强度等方式来实现。
　　我国汽车工业在整车性能、安全性和轻量化等方面，与国际先进汽车技术相比还存在巨大差距，尤其是轻量化技术。应用机械工程学科的前沿研究成果，解决汽车轻量化中存在的设计、制造问题具有重大意义。
　　1 汽车轻量化研究和应用现状
　　1. 1 国外研究和应用现状
　　1993 年，美国开始实施平均燃油率标准 ( CAFE) 和新一代汽车共同开发计划 ( PNGV) ，政府每年投资2 亿美元用于家庭用车减重。1998 年3 月，国际钢协实施UISABAVC计划，研究开发新一代钢铁材料汽车结构。2001 年，日本制订法令推行绿色设计及绿色采购，由抛弃型进入循环型发展模式。通过一系列法规刺激，欧美汽车产品质量减轻了20%  26%，预计未来10 年内，轿车平均质量还将继续减轻20%。国外汽车轻量化研究和应用主要围绕以下几个方面展开:
　　( 1) 轻量化材料开发
　　材料加工技术是汽车轻量化的关键，新型的高强度钢、低密度的铝合金、镁合金、塑料和非金属基复合材料等5 大类材料已得到实际工业化应用，其中高强度钢、铝合金和塑料的系列化商品化程度较高，镁合金材料将在传动系统、引擎系统、车体系统、底盘系统等方面得到广泛应用。
　　( 2) 零部件设计技术
　　建立了新材料评价技术，可从成本、制造工艺性、性能、质量、安全性与可回收性等方面对新材料进行全面评价，为零部件选材提供评判标准;建立了较完善的材料性能数据库，以满足零部件设计的需要; 制定了零部件设计指南，为设计师提供新材料应用方面的经验及设计法则。
　　( 3) 零部件制造技术
　　开发了一系列适用于新材料的先进加工技术与装备，大多进入工业化的应用。如金属薄板激光拼焊技术; 各种先进成形技术，包括金属液压成形、半固态成形技术，塑料制品低压成形、气体辅助注射成形技术; 不同种类材料的焊接、黏结和连接技术; 镁合金的熔炼技术; 铝车身制造技术; 铝、镁合金及塑料表面处理技术等。
　　( 4) 材料回收与再生技术废旧材料的分捡、镁合金的无公害熔炼与回收再生、塑料回收再生等技术已得到实际应用。
　　1. 2 国内研究和应用现状
　　九五期间，我国进行了铝合金材料和铸件生产成套工艺技术的开发研究，开发出了多种铸造合金和高性能轴瓦材料; 耐热铝合金、高强高韧铝合金、铝基复合材料等新材料的研究取得了较大进展; 半固态成型、快速凝固等先进成型技术研究与应用也取得了突破。一汽等汽车生产厂家建有铝合金铸造生产线; 湖南大学开展了汽车大型铝合金结构件整体铸造成形技术和关键设备的研究; 重庆汽车研究所、西南铝、东北大学等进行了铝合金板材的成形性研究。
　　十五期间，镁合金应用与开发成为材料领域重点项目。东风等汽车企业建立了压铸镁合金生产线; 重庆汽车研究所在镁合金零件的性能测试、疲劳试验、计算机模拟等方面做了大量工作; 上海交大、湖南大学、重庆大学等就镁合金的强韧化、耐蚀性、阻燃性和抗高温蠕变性等开展了较深入的研究。目前，车用高性能钢板、镁合金已在汽车上有所应用。上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金，奇瑞等汽车公司在轿车上进行了高强度钢板的初步应用试验。
　　汽车结构优化设计方面，国内已从主要依靠经验设计发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段，出现了一批拥有自主知识产权的汽车车身模具开发技术。湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了较深入的研究; 北京航空航天大学开发了CAD 系统CAXA，并已经开展了客车轻量化技术的研究，利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，以减少车身骨架、发动机和车身蒙皮质量。
　　2 汽车轻量化技术研发重点
　　汽车轻量化是一个涉及技术、经济、安全、环境等诸多方面的复杂系统工程，对传统汽车、节能与新能源汽车都是一项共性关键技术，包括了零部件优化设计和检测技术、先进制造技术、材料回收与再生技术、零部件维修技术等一系列关键支撑技术。我国汽车轻量化技术无论理论研究还是实际应用与国外均有较大差距，制约着我国汽车的创新发展。
　　2007 年底成立的汽车轻量化联盟，希望通过联盟的形式形成企业间、企业与科研单位间联合解决共性关键技术的长效机制，打造官、产、学、研、用多赢的科技创新平台，攻克和自主掌握轻量化核心关键技术，提升汽车轻量化技术应用水平。
　　2. 1 汽车轻量化先进材料开发研究
　　针对汽车关键零部件的材料使用要求，开发研究轻质、高性能、易成形、可回收的新型先进轻量化材料; 对轻量化技术及新型材料应用技术进行深入研究，以充分发挥各种轻量化材料的优势，并进行各种材料优势的集成，突破汽车轻量化材料开发与制造方面的难点和关键瓶颈技术。
　　2. 2 汽车轻量化结构优化设计研究
　　开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术，使节能型汽车从制造到使用的各个环节都真正实现节能、环保。研究常用汽车零部件模块化设计数据库及模块化方案，常用和典型模块的参数化设计等，建立模块化设计知识库和专家系统。
　　以计算机辅助工程( CAE) 方法作为获取知识的手段，建立轻量化汽车零部件性能数据库及成型工艺咨询库; 建立常用车型材料在成型前、后以及不同使用时间的参数库; 建立吸能部件优化设计专家系统，开发新一代汽车CAE 软件系统。通过这些数据库和专家库的建立，大幅度提高我国汽车结构设计水平，为快速进行汽车结构轻量化设计提供有力的手段和有效的工具。
　　结 合参数反演技术，多目标全局优化等现代车身设计方法，研究汽车轻量化结构优化设计技术，包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块等。从结构上减少零部件数量，确保在汽车整车性能不变的前提下达到减轻自重的目的。
　　2. 3 汽车轻量化材料冲压理论与工艺技术研究
　　加强高强度、轻量化材料在汽车制造领域的应用基础研究。通过开展基于CAE 的冲压工艺设计和优化方法研究，提出轻量化材料冲压回弹预测与补偿、起皱和拉裂预测与消除、毛坯反求与优化的新工艺、新理论与方法。从机制上研究复杂零件冲压中不同材料流动不均匀的产生原因和影响因素，开展多种形式的材料流动阻力控制方法及相应工艺理论和设计技术的研究。研发具有原创性和实用性的高强度钢冲压技术、汽车结构件的超高强度钢成型技术、应用于复杂汽车零件的液压成型技术和激光拼焊技术等。
　　2. 4 汽车轻量化激光加工技术与装备研究
　　激光加工技术是实现汽车轻量化的重要途径之一。系统开展激光与材料相互作用机制、激光加工过程无损检测和控制等基础理论研究，建立激光加工工艺方法和工艺参数的优化数据库; 研究不同材料的激光切割方式，开展激光切割、焊接、精细烧蚀、直接快速成型、激光涂敷、激光辅助切削加工等理论的研究，开发激光三维切割工艺技术，建立工艺参数数据库及专家系统; 研究激光深熔焊接理论，开发激光三维焊接技术与装备; 研究不同板厚、不同汽车材料，尤其是轻量化材料的激光加工拼焊技术与装备。
　　3 机械工程前沿研究应用前景汽车轻量化是包括轻量化材料的开发、零部件轻量化设计、零部件制造，以及材料回收与再生等方面的技术系统，机械工程学科的前沿研究将主要用于汽车零部件的设计和制造。
　　3. 1 虚拟现实技术在轻量化设计中的应用
　　虚拟现实技术是建立在计算机图形学、仿真学、并行技术、人工智能、多媒体技术及高性能计算机系统等技术基础之上的高级计算机技术。借助虚拟现实技术建立的三维汽车模__型，可显示汽车的悬挂、底盘、内饰直至每一个焊接点，设计者可确定每个部件的质量，了解各个部件的运行性能。通过虚拟现实技术，可以展现虚拟汽车具有完全真实感的立体空间，以便围绕汽车走动观察，提出改进设想。设计者坐在汽车座椅上可以观察各种仪表板、变速杆及各种附属装置，并对其进行操纵，以检验轻量化设计是否能确保汽车操作性能不变。运用虚拟现实软件可以看到虚拟汽车车门、发动机罩的铰接和开合情况，以解决人机工程和视野等问题。
　　3. 2 可靠性技术在轻量化设计中的应用
　　可靠性技术的FMECA 是一种在系统设计过程中，通过对系统各组成单元的各种潜在失效模式及其对系统功能的影响，与产生后果的严重程度进行分析，提出预防改进措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法。
　　提高汽车可靠性是汽车轻量化的重要目标之一，在完成车身结构优化设计和使用轻质材料制造替代零件之后，将会改变汽车的质量分布，有可能存在潜在的危害汽车安全性的因素，应用FMECA 进行排查可最大限度地消除安全隐患。
　　3. 3 CAE 技术在铝镁合金铸造模具制造中的应用
　　单车用铝镁合金的质量已经成为衡量汽车性能的标志之一，1999 年全球单车平均用镁合金铸件3 kg，欧美单车用镁量较高，如甲壳虫单车用镁量已经超过20 kg。汽车用镁正以年均20%的增长速度迅速发展，世界各大汽车公司都把已采用镁合金零件的数量作为自身产品技术领先的标志，预计20年后平均单车用镁量将超过100 kg。
　　我国在车用铝镁合金的应用上还局限于常温运行的壳体型零件( 如手动变速器壳和盖、离合器壳等) 和车内部件( 如方向盘系统、仪表面板等) ，这些零件在整车中所占的质量比有限，要达到单车用镁合金100 kg 的目标，必须实现发动机和底盘零件( 包括轮毂) 的镁合金化。但镁合金在高温下( 尤其400  以上时) 很容易产生腐蚀氧化及晶粒粗大，锻造难度较大。镁合金组织性能受塑性变形影响很大，需要通过控制塑性加工工艺过程来提高镁台金产品的性能。
　　以有限元分析方法为代表的CAE 技术可用于镁合金汽车零件的各种模拟和分析，使设计者可在镁合金汽车零件还未制造出来之前充分了其成形过程，并采用适当的控制技术来保证质量。CAE 分析技术还可用于汽车的静力学分析、特征值分析、稳定性分析、耐久性分析、舒适性分析、安全性分析和板成型分析。
　　4 结束语
　　综上所述，机械工程前沿研究在汽车轻量化零部件设计和制造过程中具有良好的应用前景。借助我国汽车工业迅速发展时机，实现机械工程前沿研究与汽车轻量化技术的紧密结合，并推广应用到机械工程其他工业领域，有助于改变中国机械工程学术领域在国际上的地位滞后于中国制造业在国际制造界的地位的现实。