汽车轻量化铝合金研究进展
韩涛
[摘 要]为了满足更高的环保和节能要求，汽车车身的轻量化成为了制造商研究的重点，相对与传统的结构钢，全铝车身的重量较轻而且刚度也能满足要求，对典型的家用汽车车身结构进行了仿真计算，计算和研究结果对未来汽车车身轻量化进程的研究提供了相关思路。
[关键词]铝制车身；汽车；轻量化
中图分类号：U465 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）06-0362-01
1 引言
随着汽车工业的不断发展，人们对于汽车的要求也是越来越高，油耗、安全性、驾驶感受、舒适度等一系列指标都成为了人们在选购汽车过程中的重要影响因素，而针对于油耗和汽车自身重量方面的探究始终是重点内容，从20世界80年代后期，各大汽车厂商就开始了针对于铝制车身的研究，并且在90年代中期开始，德国的汽车制造商率先开始了铝制车身的批量生产，由此开始了多年关于铝制车身技术的研究和探讨[1]。
铝制汽车所带来最为直观的优点是汽车重量上的减轻，铝的力学性能比较好，密度是钢的三分之一，并且具有良好力学机械性能，铝的结构性也要更强，也就意味着更容易进行整体铸造，铝的吸收性能相对钢也更好些，意味着在遇到碰撞的时候，铝的前部收缩变形很大但后部收到的影响很小。汽车的轻量化是汽车工业发展的潮流，可以起到环保和节能减排的作用，配比出的新能源同时也需要具备和钢材同样的刚性[3]，以保证汽车的安全和抗碰撞能力。
汽车车身的空间框架链接是由真空铸件铝件完成的，因此铝制车身的实现技术要求比较高，铝制车身的外部覆盖件是由铝合金板冲压形成，铝材料板的厚度相对结构钢也厚20%左右，覆盖件和股价的链接则是通过冲压铆钉完成，车门防撞结构处挤压型材料使用的概率比较高。这就是汽车车身整体的铝材料应用。
利用CAE有限元进行仿真分析和计算，对汽车简化模型施加全铝制材料、铝合金材料和纯钢材料承载相同外部输入作用力情况下的刚性、重量进行研究。
2 有限元仿真计算
CAE有限元仿真分析在汽车前期设计中扮演重要的作用，有限元算法指的是将无限自由度的联系结构体在数学计算中转换成有限自由度的离散结构体，这样便可以用多次迭代计算的结果来对连续体的力学性能进行模拟仿真。目前的CAE计算主要依赖高速计算机，计算过程主要由前處理、计算和后处理三部分组成，前处理的工作主要是CAE模型搭建、网格划分、边界条件选择和输入设置，计算过程是在高速计算机上利用数学算法多次迭代计算应力、应变等结果的过程，后处理则是计算结果导出、云图显示以及数据对比的过程[2]。
在CAE计算当中，往往需要对计算的模型进行力学简化，将细长结构简化为计算梁单元，将平板结构简化为计算板单元，将大块结构简化为近似形状的实体单元，汽车的车身可以简化成是梁单元和板单元的组合。计算所用平台是Ansys商用有限元计算软件，该软件可以进行汽车建模以及有限元计算，文章进行计算所用的CAD模型和在有限元软件中的网格划分1所示，网格数量为7万，一般来说，网格划分的密集程度和计算结构成正比，但为了兼顾计算成本和结果，选择算例适合的网格数量即可。
该模型的选取按照1：1的数据进行绘制，材料全车身分别为结构钢和铝制材料，两种结构材料的属性如图2、3所示。外部采用小型家用轿车典型的流线型结构，在计算的过程中，采用的是瞬间冲击力作为输入条件，由于汽车的整体性，汽车外部结构的流线体采用的是固定位置的边界条件，两驱的汽车在刹车的时候会进行后轮制动，因此结构体后部的两点同样采用固定位置的边界条件，前部采用滑移的边界条件。以上过程是有限元计算的前处理过程，计算采用100个迭代步。
3 计算结果及比较
利用计算软件的后处理功能导出计算结果和数据，现给出汽车分别在结构钢和全铝结构下，受相同的正向冲击力而得到的全车身形变云图，在云图中，颜色从冷色调到暖色调渐变，暖色调越强，意味着该位置处的变形量较大。
从结果云图上看，在车身受到前部冲击之后，钢材料和铝材料在前部都会出现相应的变形，全铝车身的变形为主主要集中在汽车结构中线一带，结构钢主要是在中线两侧，而且整体形变较大，受到冲击之后，汽车的车身会向车身后侧施加渐变力，因此两种材料的车身后部都有一定的变形。
从数据上来看，同等输入条件和边界条件下结构钢的变形数据差不多是铝结构的1.5倍左右，证实了铝材料优质的吸收性，刚性也满足要求，但是重量仅仅为钢结构的三分之一，也就是说，汽车的重量大大减轻，根据统计，从全车的角度来说，全铝车身的重量可以减轻将近40%左右。从而在油耗、驾驶体验等多个方面都有提高，在实际的汽车在建造过程中，需要铝材料的合金材料来进行特殊位置补强，例如本算例的铝车身中线可以，可以用合金铝或者加强结构进行增强铸造。
总结
材料铝除了在汽车轻量化进程中扮演重要角色外，除了车身之外，还应用在了很多其他的方面，比如汽车散热器的铝合金复合材料，发动机罩的铝合金外包，机油冷却器罐体等。铝制车身对于汽车工业来说是一项大的进步，但需要在未来逐渐提高的技术点依然存在，铝制车身的实现目前依然是少数，例如铝制车身的成型性需要改善，控制尺寸精度的回弹性不容易控制，因此建造的成本就非常高，而且一旦发生撞击变形，后期的修复成本也很昂贵。
全铝车身未来一定是车身结构的发展方向，随着铝制材料的形成技术逐渐成熟，未来在其他工业领域，铝材料应用也会变得更加广泛。
参考文献
[1] 崔柳青.全铝车身：客车轻量化的有效解决方案（J）.商用汽车.2016.87-88.
[2] 郝雪静，田雨蒙.全铝车身电动轿车正面碰撞仿真（J）.重庆理工大学学报（自然科学）.2016.20-26.
[3] 肖军.现代轿车全铝车身的研究和发展趋势（J）.铝加工.2005.32-35.endprint
