汽车轻量化技术(学员版)二.ppt

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1、1-294,采用国内对高强钢的分类标准，普通高强度钢板是指抗拉强度或屈服强度相对较低，或采用传统工艺或对传统工艺少许改进即能生产出来的高强度钢板。如高强度IF钢板、冷轧各向同性钢、烘烤硬化钢板以及高强度低合金钢等。,1 普通高强钢HSS,高强钢板简介及其应用,2-294,高强度IF钢,应用：目前，IF钢主要用于汽车板深冲级和超深冲级冲压件如车身侧框架、车身后部底板、变速器传动轴盖板、后部纵梁等的生产。,BMW E60侧框架,性能：IF钢的屈服点范围为180-260MPa,最大抗拉强度为440 MPa，断裂延伸率A80为32%。这种钢板性能高度稳定、性能参数分散度小、屈强比低、塑性应变比r值和应

2、变硬化指数n值高。,3-294,冷轧各向同性钢（IS钢）,冷轧各向同性钢屈服点范围为210-300MPa,最大抗拉强度为440 MPa，断裂延伸率A80为36%。一般为低碳钢，主要通过Mn和P固溶强化。有好的成形性和抗时效性，适于制造汽车外板。,车门外板,4-294,烘烤硬化钢(BH钢),BH钢的屈服强度一般在140-220MPa,最大抗拉强度为500 MPa，断裂延伸率A80为30%.可为低碳或超低碳，主要通过Mn和P固溶强化。烘烤后易发生时效，屈服强度上升，有利于抗凹陷性。缺点是易时效，保质期短。其机理是高温C、N原子扩散速度加快，位错聚集而强化材料。,应用：主要用于制造发动机罩外板、行李

3、箱外板、侧围外板、A柱下部加强件、行李箱上部隔板、变速箱传动轴盖板的连接板等。,5-294,高强度低合金钢（HSLA钢）,性能：高强度低合金钢屈服点范围为340-420N/mm2,最大抗拉强度为620 N/mm2断裂延伸率A80为20%.高强度低合金钢用于对强度和防撞要求较高的部件，但其成形度不高。,后部发动机支架,应用：可用于A柱上部加强件、车门槛加长件、前部内侧侧框架、内侧B柱、后部发动机支架和内部侧框架等。,6-294,具有更加优越的性能：屈强比低；力学性能均匀;碰撞吸能疲劳寿命高；合适的应变速率敏感性（提高了撞击抗力和安全性）；良好的烘烤硬化性,2 先进高强钢AHSS,其强度在500M

4、Pa到1500MPa之间，指需要采用先进设备及工艺方法才能生产出来的钢板，包括双相钢板（DP钢板）、相变诱发塑性钢板（TRIP钢板）和马氏体钢板（M钢板或Mart钢板）、热成形钢等。,7-294,双相钢（DP钢）,性能：这种钢材的屈服点范围是300340 MPa，最大抗拉强度是600 MPa，断裂延伸率A80是20。组织由马氏体硬度和马氏体的量决定。这种钢具有良好的强度和延性匹配，制造方法较为容易和方便应用：在碰撞时要承受巨大能量的具有高强度的结构件，或者具有高抗压强度的车身覆盖件,8-294,TRIP钢（相变诱发塑性钢）,性能：这种钢屈服点范围为380-450MPa,最大抗拉强度为800 M

5、Pa，断裂延伸率A80为25%.TRIP钢具有高水平的吸能，并且TRIP钢在整个均匀延伸阶段都具有高水平的n值和高的烘烤硬化性，这些特征正是汽车用高强度高成形性汽车板所期望的。,BMW E60A柱内部,应用：TRIP主要用于碰撞时必须吸收较多能量的高强度结构件和安全件。,组织：铁素体贝氏体残余奥氏体,9-294,马氏体钢（M钢）,性能：马氏体钢的屈服点范围为750-1100MPa,最大抗拉强度为1400 MPa，断裂延伸率A80为5%.,BMW E60车门防撞杆,应用：对防撞要求很高的部件（即在很短的变形行程内要吸收大量的能量）一般由M钢制成。如门B柱，汽车侧门的内防撞杆等。,组织几乎全部由低

6、碳马氏体组成,10-294,热成形钢（含微量硼合金元素的合金钢）,性能：供货态强度仅500-600MPa,经加热、成形和模冷后，强度可达1500MPa。最终组织由低碳马氏体组成。可硬化性明显改善，加工后的部件最小屈服点达到1300 N/mm2.使用硼钢可以最大限度的减轻重量。,应用：主要应用于前、后保险杠骨架以及A柱、B柱等重点部位，在发生撞击时，尤其在正面和侧面撞击时，可有效减少驾驶舱变形，保护驾乘人员的安全。,11-294,各种高强钢在车身上典型应用,12-294,高强钢的力学性能与普通低碳钢有很大差异，由高强钢板替代普通低碳钢，会出现因材料强度增加、力学性能下降而产生的成形方面的问题及不

7、利因素。在高强钢板成形时，比普通钢板更容易产生破裂、回弹、尺寸和形状精度不高的倾向，且成形裕度低。,高强钢板成形的关键技术研究及开发是目前提高其成形性能和扩大其应用的重要瓶颈问题。,高强钢成形难点,13-294,3.1 新材料在汽车上的应用 3.1.1 轻金属在汽车上的应用 3.1.2 高强度钢在汽车上的应用 3.1.3 其他材料的应用3.2 CAD/CAE在汽车结构设计上的应用3.3 结构小型化3.4 承载式车身在汽车上的应用3.5 先进特种成形工艺的应用,汽车轻量化之第三章 汽车轻量化的主要途径,14-294,汽车中主要的非金属部件,美国中型轿车材料比例变化(%),3.1.3 其他材料的应

8、用,15-294,陶瓷材料,非金属材料,橡胶材料,工程塑料,其它,纤维增强材料,蜂窝夹层材料,16-294,陶瓷材料,特种陶瓷,纳米陶瓷,陶瓷基复合材料,碳化硅：轴承、活塞,氮化硅：轴承、密封圈,氧化铝：发动机火花塞,氧化锆：绝热柴油机零件,1 分类,陶瓷材料,17-294,特种陶瓷,优势：高强度和硬度、低密度、高耐蚀，耐磨和耐热性；其抗拉和弯曲强度可与金属相比不足：加工困难、质脆、成本高、可靠性差,应用：主要用于汽车的各种耐磨耐高温零件，如活塞、气缸、发动机、配气机构零件等；其蜂窝多空结构可用于各种传感器、减震器、消声器、催化转化器载体等。,陶瓷爆震传感器,18-294,优势：较特种陶瓷，强

9、度、韧性和超塑性大为提高；烧制温度降低，加工和切削性优良，生产成本下降；耐磨、耐高温高压性、抗腐蚀性、气敏性优良,纳米陶瓷,应用：可制作连杆、推杆、轴承、气缸内衬、活塞顶、氧传感器材料、高温燃料电池及防震的陶瓷弹簧；可用于纳米陶瓷涂层、纳米汽油、润滑剂等。,三菱汽车活塞环活塞环表面渗纳米陶瓷层，一般寿命均在20万公里以上,19-294,陶瓷基复合材料,陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中加入强化材料构成的复合材料,应用：主要用在耐磨、耐蚀、耐高温以及对强度，比强度有较为特殊要求的部件。,航空发动机典型件（可工作于1300摄氏度左右）,优势：利用应变诱发相变增韧、微裂纹机制和裂纹偏转等韧化机理，在提高强

10、度的同时，达到提高韧性，从而提高陶瓷材料的综合机械性能,20-294,减轻车辆自重、提高发动机热效率降低油耗、减少排气污染提高易损件寿命完善汽车智能性功能等,2 陶瓷在汽车上的应用,（1）应用意义：,（2）实例：,陶瓷催化净化器载体,堇青石质蜂窝陶瓷载体,催化净化器壳体,催化净化器内部是蜂窝状陶瓷载体，内置贵金属催化剂，能使有害尾气转化成无害的二氧化碳、氮气和水等。,21-294,陶瓷制动器,保时捷的陶瓷制动系统（PCCB）：制动碟表面的摩擦系数比铸铁高25%，可提供充足的制动力；在活塞与制动片之间，装有陶瓷隔热体，可以在800下正常工作；在增强刹车性能的同时，降低车重20kg。,保时捷PCC

11、B复合陶瓷刹车盘,奥迪A8W12轿车的陶瓷制动盘：比铸铁制动盘的质量降低了50%，寿命是钢质刹车盘的4倍。,奥迪A8W12轿车的陶瓷制动盘,22-294,陶瓷涂层,该涂层含有锆酸盐瓷，其好处在于：具有非常好的隔热保温效果具有高强度，高耐久性能抵抗震动，机械冲击和热骤变等 外部干扰，对部件将有非常好的保 护作用能够有效地防止排放系统和排气管 因高温受热所导致的变形和老化,兰博基尼Reventon车型采用等离子喷涂陶瓷涂层,23-294,3 陶瓷在汽车制造业的发展前景,目前陶瓷在汽车的应用并不广泛，主要原因是:特种陶瓷对原材料要求比较严格，制造工艺复杂，成本居高不下，脆性，使用可靠性差。陶瓷基复合

12、材料零件的价格远比金属零件高，制造时可能产生内部裂纹。纳米陶瓷的结构理论、物理特性还有待进一步完善。虽然陶瓷在汽车上的应用还存在一些难题，但其优越的特性越来越受到人们的关注。各国都投入大量人力、物力和财力研究开发新型陶瓷材料，研制汽车上的陶瓷零部件。相信不久的将来，陶瓷材料在汽车制造这一领域会有更大的突破。,24-294,陶瓷材料,非金属材料,橡胶材料,工程塑料,其它,纤维增强材料,蜂窝夹层材料,3.1.3 其他材料的应用,25-294,工程塑料,热塑性塑料,热固性塑料,橡胶状塑料,酚醛树脂等,聚氨酯,乙丙橡胶等,不饱和聚酯,环氧树脂,聚氯乙烯,聚丙烯,ABS树脂,饱和树脂,尼龙树脂,聚甲醛,

13、聚碳酸酯等,1 分类,工程塑料,26-294,每100kg的塑料可替代其它材料200300kg，可减少汽车自重，增加有效载荷；柔韧性较好，耐磨，避震，单位质量的塑料的抗冲击性不逊于金属；复杂的制品可一次成型，生产效率高，成本较低，经济效益显著，如果以单位体积计算，生产塑料制件的费用仅为有色金属的1/10；可回收利用，且每100km节油在0.5L以上；对酸、碱、盐等化学物质的腐蚀均有抵抗能力，硬聚氯乙烯，它可耐浓度达90%的浓硫酸，各种浓度的盐酸和碱液,2 工程塑料轻量化优势,27-294,3 工程塑料在汽车上的应用,28-294,汽车里程表/门窗摇机工程塑料蜗杆,尼龙发动机罩盖,尼龙汽车进气歧

14、管,29-294,汽车塑料制品根据其应用部位，可分为内装件、外装件、功能件,戴姆勒公司的世界首款商业化塑料油底盒模块(赢得塑料工程师学会汽车分会颁发的塑料创新使用奖),工程塑料在汽车内装件和外装件上的应用,由聚丁烯对苯二甲酸酯和长纤维增强热塑性塑料制造的大众汽车的天窗框架,30-294,4 工程塑料在汽车制造业的发展和前景,在日本、美国和欧洲等发达国家中，每辆轿车平均使用塑料已超过150Kg，占汽车总重量的10%我国每辆轿车塑料用量平均为100kg，占总重量的8%左右，达到国外20世纪80年代中期的水平,kg/car,汽车上塑料的使用量每年呈递增趋势,31-294,我国车用塑料的应用还存在一定

15、问题：（1）汽车专用塑料牌号少，产品性能不足；（2）汽车用塑料标准混乱，不利于大批量生产与应用；（3）缺乏生产汽车专用塑料的领头企业，现有生产企业规模小而分散，技 术水平不一，塑料制品产品质量难以保证今后的车用材料，正由金属向塑料方向转化，但塑料比金属材料的强度差，一般情况下，塑料化要随之增加零件壁厚，因此今后有待开发出既便宜又有高强度的塑料。,可以预料，塑料在汽车工业上的应用将会越来越广泛，开发并使用全塑汽车已不是梦想，一个塑化的汽车工业时代即将到来。,杰事杰新材料股份有限公司展出的采用特殊塑料制成的轿车骨架,32-294,陶瓷材料,非金属材料,橡胶材料,工程塑料,其它,纤维增强材料,蜂窝夹

16、层材料,3.1.3 其他材料的应用,33-294,树脂传递模塑材料(RTM),玻璃纤维增强塑料（GFRP）,碳纤维增强塑料（CFRP）,纤维增强金属（FRM）,片状/块状模压复合塑料(SMC/BMC),玻璃纤维毡增强热塑性材料(GMT),分类,纤维增强材料,常用,纤维增强材料,34-294,SMC是用低粘度的树脂复合物浸渍片状玻璃纤维而制成的片状模压塑料复合材料优势：与钢质零件相比，SMC生产周期短，便于汽车改型，投资效益好；质量较轻，节约燃油；设计自由；制件整体性好，零件数量少；耐用性和隔热性好不足：SMC不可回收，污染环境；一次性投资往往高于对应的钢质件,车身常用钢材与SMC材料的性能比较

17、,SMC材料,35-294,SMC主要应用在车身及车身部件、内装饰部件、发动机盖下部件、悬架零件等。其中发动机罩、车顶、保险杠是最重要，产量最大的SMC部件。福特金牛座轿车的前围里的下散热器托架，原钢制品有22个零件，而应用SMG只需2件，质量大减，成本降低14%美国通用汽车公司生产的SMC车门、用含30%的短切纤维模压而成,结构框架采用含30%的连续纤维和20%的短切纤维的SMC模压而成,比钢门减轻了18.1kg,36-294,SMC大型汽车车门,SMC保险杠,SMC发动机缸盖罩,SMCBMC电机端盖,37-294,GMT材料,GMT是一种以热塑性树脂为基体,以玻璃纤维毡为增强骨架的复合材料

18、。主要用于生产电池托盘架、保险杠、座椅骨架、前端组件、仪表板、门模块、后举门、挡泥板、地板、隔声板、发动机罩、备胎箱、气瓶隔板、压缩机支架等。优势：具有轻质高强，耐腐蚀、易成型的特点；与SMC相比，韧性好、成型周期短、生产效率高、加工成本低，可回收利用。被视为21世纪绿色材料。GMT在国外早已是成熟产品，有80%用于汽车工业。江阴双良复合材料公司是国内首家大规模生产GMT产品的厂家。,宝马公司采用GMT代替原来的金属材料制造M3运动轿车的保险杠将质量至少减少了60%,GMT材质汽车保险杠,38-294,RTM材料,是在模具型腔中预先放置玻璃纤维增强材料，闭模锁紧后，注入树脂胶液浸透玻纤增强材料

19、，固化得到的复合材料优势：与SMC相比，模具成本降低，机械性能更好；方向性和局部性增强，污染小不足：生产效率低于SMC，一般情况下较适合于多品种、小批量的产品,ASTON MARTIN跑车的RTM车身侧围板,RTM在汽车中应用广泛，如乘用车的车顶、后厢盖、侧门框和备胎仓，以及卡车的整体驾驶室、挡泥板和储物箱门等。,39-294,CFRP材料,优势：具有足够的强度和刚度，很好的耐蠕变性能、耐腐蚀性能、耐 磨性，导电、X射线穿透性好，电磁屏蔽性好，振动衰减快、传导小。不足：碳纤维的高价格使之无法在汽车领域广泛应用。美国、欧洲、日本等正在研究廉价碳纤维原丝和碳纤维的低成本、高速率的生产工艺。,CFR

20、P是适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的最轻材料。可使汽车车身、底盘质量减轻40%60%，相当于钢结构质量的1/31/6。目前碳纤维增强复合材料已用于赛车、重卡、混合动力车的各种零部件的生产,CFRP座椅,40-294,雷克萨斯超级跑车LF-A整车采用了碳纤维增强塑料(CFRP)作为车身材料，不但能够实现4倍于铝材的高强度，且降低了车身自重。,雷克萨斯超级跑车LF-A,宝马“BMW Concept Coupe”车身采用重量较轻的CFRP,41-294,FRM材料,常用的FRM主要有铝基复合材料和镁基复合材料，增强材料主要是陶瓷纤维、碳纤维或SiC颗粒。FRM具有高的比强度和比刚度、耐磨性好、导

21、热性好、热膨胀系数小等特性。在汽车上主要应用于汽车制动盘、制动鼓、制动钳、活塞、传动轴以及轮胎螺栓等。铝基复合材料应用于刹车轮，使质量减少了30%60%，导热性好，最高使用温度可达到450法国雷诺汽车公司使用碳纤维增强铝驱动轴以增加刚度。美国福特汽车公司采用硅、碳增强铝驱动轴。轮胎螺栓采用MMC制造，质量降低50%,42-294,陶瓷材料,非金属材料,橡胶材料,工程塑料,其它,纤维增强材料,蜂窝夹层材料,3.1.3 其他材料的应用,43-294,蜂窝夹芯复合板是由两层薄而强的面板材料，中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。优势：刚性大，减轻质量效果极为明显；具有良好的抗振、隔热、隔音性能；非常合适承受

22、非集中载荷。,蜂窝夹芯复合板典型结构,应用：钢质蜂窝夹芯板可用于汽车零件，质量可减轻35%左右；可用于开发防弹材料，应用于运钞车、装甲车等；还可做散热器芯和减震夹芯板 夹芯结构在汽车上已经有了较多应用，大部分是用于车身外蒙皮、车身结构、车架结构、保险杠、座椅、车门等处,蜂窝夹层材料,44-294,美国GM公司的汽车采用了新型的复合材料结构保险杠，主要由马氏体钢、RIM（反应注射模塑）纤维增强聚氨醋层和聚乙烯蜂窝层（起缓冲作用，取代液体吸能器）组成，比钢的质量轻，并能够满足撞击试验要求,玛莎拉蒂MC12承载式底盘采用碳纤维和NOMEX蜂窝夹层结构制造,宾利大陆GT-改装版的扰流板采用碳纤维蜂窝矩

23、阵（CFHM）结构,45-294,陶瓷材料,非金属材料,橡胶材料,工程塑料,其它,纤维增强材料,蜂窝夹层材料,3.1.3 其他材料的应用,46-294,橡胶占汽车用材料总质量的5%。主要用于汽车轮胎、门窗密封条、胶管、减震制品、传动带、防尘罩、胶带、油封、皮碗、皮膜等部件。汽车上大量使用氟胶、硅胶和丙烯酸酷橡胶等高档胶和耐热弹性体是将来汽车橡胶发展的主流方向。,减震制品,等速万向节防尘罩,用热塑性聚醋弹性体生产的等速万向节防尘罩，取代原来的橡胶，可轻量化50%。欧美、日本部分车上开始使用TPEE材料，能在满足耐油、耐热的同时，实现轻量化的目的。,橡胶,47-294,陶瓷材料,非金属材料,橡胶材

24、料,工程塑料,其它,纤维增强材料,蜂窝夹层材料,3.1.3 其他材料的应用,48-294,大麻 以大麻和聚胺醋为原料的合成材料，除具有金属和玻璃纤维各有的优点外，价格更便宜，质量更轻，韧度更强，而且可以生物降解。纺织复合材料 将纺织技术和现代复合材料的成型技术相结合，有效地克服传统复合材料的取向性和层合材料的面内力学性能不均匀、损伤容限低等缺点。在汽车工业中的应用越来越广泛。高强度结构发泡材料 高强度结构发泡材料具有质量轻、可以制作复杂形状、加强效果明显等优点。法国雪铁龙Picasso C4和OPELAstra等采用预埋在接头处的高强度结构发泡材料来提高整车刚度。,其它非金属材料,49-294

25、,3.1 新材料在汽车上的应用3.2 CAD/CAE在汽车结构设计上的应用3.3 结构小型化3.4 承载式车身在汽车上的应用3.5 先进特种成形工艺的应用,汽车轻量化之第三章 汽车轻量化的主要途径,50-294,据统计，客车、轿车和多数专用汽车车身的质量约占整车质量的40%-60%。因此对车身的结构进行优化设计，实现轻量化的空间是比较大的。,CAD/CAE/CAM一体化技术是典型的多媒体信息处理和多媒体软硬件集成环境，它使汽车设计与制造向着可控化、信息化、智能化和标准化的目标发展。,51-294,CAD/CAE/CAM一体化构成,CAD/CAE技术简介,52-294,CAD/CAE/CAM一体

26、化技术整车设计流程图,构思CAS,三维建模CAD,结构设计CAD,试制,试验 定型,车身制造工艺设计CAPP,模具设计CAD,机械加工CAM,装配、试验、整调,生产,铸件毛坯准备,CAE优化设计,工程数值分析仿真结构优化设计,53-294,在现代汽车工业中，CAD/CAE/CAM一体化技术起着重要的作用，涵盖了汽车设计和制造的各个环节：汽车的设计检验；整车实体造型；车身的三维设计；汽车零部件的数控加工；整车的振动和疲劳分析；以计算机仿真技术代替实车测试和破坏性碰撞试验。该技术已成为汽车工业实现多品种、高质量、短周期、低成本的有力保证。因此在汽车轻量化设计中具有良好的应用前景。,54-294,车

27、身是汽车的一个非常重要的组成部分，占汽车总体质量和造价的40%60%，其设计的好坏直接影响着汽车的使用性能。车身的主要作用在于保证驾驶员便于操纵以及为乘客或货物提供容纳空间。消除或减轻汽车行驶时汽车自身和外界给驾驶员、乘客和货物造成的影响，保证行车安全和减轻事故后果。,车身组成：底板、顶盖、前，后围板、侧围、发动机罩、行李箱盖、前，后翼子板、挡泥板,车身结构的分类及组成,55-294,（即基于设计的轻量化技术）,（1）利用CAD技术，可以准确地实现车身实体结构设计和布局设计，对各构件的形状、配置、板材厚度的变化进行分析。（2）对于采用轻质材料的零部件，可利用CAE技术作零件的布局干涉分析和运动

28、干涉分析，使轻量化材料能满足车身设计的各项要求。,利用有限元法和优化设计方法可对结构力学性能进行分析和优化设计。在车身结构优化设计中,通常采用的优化方法有：1.拓扑优化：多应用在结构的概念设计阶段。主要思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题。目前常用的连续体结构的拓扑优化方法有:变厚度法、变密度法及均匀化方法。2.形貌优化：可以对加强筋的形式、走向和位置深度等参数进行优化 3.形状和尺寸优化：这种结构设计方法已用于汽车后轴差速器壳体、半轴等零件设计。这种基于生物学增长规律的形状优化方法，可收到既减小零件质量，又避免局部应力高峰的效果。向承受高负荷的部位贮存

29、材料，去除承受低负荷部位的材料，零件的形状将按照避免出现应力高峰并使应力分布均匀来设计,车身结构优化及用材,56-294,确定设计几何模型,生成有限元网格,定义材料属性,施加载荷、边界条件,有限元分析,完成设计,定义拓扑优化设计空间,修改几何模型,定义拓扑优化约束目标函数,拓扑优化计算,定义拓扑优化设计空间,YES,NO,有限元分析方式,拓扑优化方式,传统优化方法与拓扑优化方法流程比较,57-294,（1）下例是基于OptiStruct软件，针对某越野车后掀门原设计强度不足的问题，采用该软件进行形貌优化，在不增加重量的前提下，提高结构强度。,原结构有限元模型,原设计应力云图,原设计形变位移云图

30、,优化设计后的结构,优化后的形变位移云图,优化后的应力云图,58-294,（2）大众公司结合拓扑优化，形状优化和尺寸优化对发动机支架,发动机排气歧管隔热板，水箱散热器支架等进行结构优化设计，成功实现了减重、提高模态频率和增加了强度和刚度。,发动机支架优化,发动机隔热板优化,优化前后模态频率变化,59-294,水箱散热器支架优化前后应力分布及变形情况,优化前后性能比较,60-294,(3)基于HyperWorks软件对卡车驾驶室后悬置支架进行分析和拓扑优化，优化的约束是体积，目标是支架的柔度最小。优化结构应同时满足强度和刚度要求。,模型图,原结构的应力云图,最大应力值为851MPa,改进设计模型

31、,改进后的应力分布图,应力峰值为233MPa,应力峰值降幅为72.6%，同时减重6Kg，减幅为22.7%。,61-294,(4)汽车转向节优化设计,转向节应力云图 转向节位移云图,拓扑优化设计方案,原始方案,应力云图 位移云图,62-294,根据以上拓扑优化结果，确定了一个在给定载荷条件下满足设计要求的最佳结构布置方案，在此基础上，再进行形状优化。目的是通过改变实体模型的几何形状来减少局部的应力集中，增加零件的刚度，从而得到更有效的细节设计。,原方案、拓扑优化、形状优化方案的比较,经过拓扑优化和形状优化，最终得到了较为理想的设计方案。将对原始方案与优化设计方案相比较，可以看到优化后重量减轻了1

32、0。同种工况下原始方案的最大应力为266MPa，接近于转向节材料的屈服极限285MPa，在实际使用中存在安全隐患。优化方案的最大应力为222MPa，应力水平降低了17%，刚度增加了25%。,63-294,（5）轿车车门优化设计,应用拓扑优化分析进行车门铰链的优化，应用形貌优化进行车门内蒙皮的设计，应用尺寸优化确定板材的厚度，达到满足车门刚度性能，降低成本的目的。,内蒙皮振动模态（42HZ),上门框皮振动模态（56HZ),对车门进行自由模态分析（无约束载荷）,64-294,优化铰链（实体）结果对比,车门铰链优化,65-294,内蒙皮优化（车门的内蒙皮是车门一阶模态的主要贡献部件，对车门内蒙皮的优

33、化可以有效提高车门的一阶模态）,材料厚度的尺寸优化：,66-294,通过对车门铰链的拓扑优化，对车门内蒙皮的形貌优化，以及对车门板材厚度进行尺寸优化，降低了设计成本，提高了车门垂直刚度，提高了车门整体的一阶模态。,67-294,（6）拓扑优化技术在汽车发动机罩内板上的应用,68-294,（7）行李箱内板的拓扑优化设计,行李箱内板,内板位移云图,内板应力云图,根据位移和应力的变化我们可以得到其最大位移和最大应力，此时的最大位移为1.41mm，最大应力77.3MPa，内板的质量为4.505Kg。,69-294,拓扑优化设计后方案,内板位移云图,内板应力云图,优化后模型,70-294,3.1 新材料

34、在汽车上的应用3.2 CAD/CAE在汽车结构设计上的应用3.3 结构小型化3.4 承载式车身在汽车上的应用3.5 先进特种成形工艺的应用,汽车轻量化之第三章 汽车轻量化的主要途径,71-294,超轻车身,大规模使用高强钢,定制板材技术,激光分层拼焊工艺,先进制造工艺应用,整体成型，减少零件数量,减少焊接的搭接和加强部件,激光焊接、液压成型等,减薄厚度,超轻汽车车身,目的是在不增加成本的情况下，维持车身功能与抗冲击安全性的同时减轻车身重量。现有研究成果和实际应用表明采用超轻量化设计的汽车车身可以减轻车身重量的25%。,72-294,采用激光拼焊的车身外围板,顶盖整体成型,奥迪A6车身结构,奥迪

35、A6大量使用了高强度钢板和铝合金，使得奥迪A6虽然加大了车身尺寸，而车重却减轻了3%,73-294,超轻悬挂,悬挂是车身与车桥之间的一切传力连接装置的总称。轻量化的途径主要有选用高强钢或铝制结构，利用先进的成型工艺及采用整体式成型，结合CAE/CAM技术进行优化设计等。采用轻量化设计的几种悬挂结构(如滑柱式、双横臂式、多连杆式悬挂等），除了多连杆式悬挂减重较少，其他都在20%以上。,74-294,在目前的汽车轻量化基础研究中，前面提到的新型材料的应用、CAD/CAE/CAM优化车身结构及用材是当前研究的主流，技术已相对成熟。而对于近年来兴起的混合动力、燃料电池、氢动力车，虽然在减少温室气体排放

36、、缓解未来能源危机方面得到了一致的认可，但是其发展和应用前景在行业内部依然有非常多的争论。前几年，Downsizing受到关注，其意为“采用小排量发动机，降低整车尺寸和总质量”，从而实现省能源、省资源、轻量化、低排放、低成本的目的。然而，人们购车时在考虑油耗的同时并不想放弃对汽车动力性和操控性的追求。单靠降低油耗并不能赢得用户，人们虽然想经济节约地行驶，却又丝毫不肯放弃功率，总是想要使自己的爱车强劲、快速。因此，真正要实现在满足使用性能不变前提下的Downsizing,并不是让用户在牺牲汽车动力性能的情况下选择A00、A0、A级的微型车、小型车。小型化的对象是B级以上的C、D、F级的中级、中高

37、级和高级乘用车。措施是综合采用各种现代发动机技术和整车技术，将车辆上的部件充分小型化、轻量化，从而降低车重，减小部件所占空间，使较低一级车的各项性能达到或十分接近较高一级车的性能指标。,保证使用性能不变前提下结构小型化,75-294,操控性,动力性,油耗,尾气排放,目前符合汽车轻量化要求的小型化就是在整车尺寸、操控性和动力性不变的前提下，降低油耗、减少CO2的排放量。,76-294,曾经被认为仅仅是理论上可行性的小型化发动机正逐步被人们所关注，一些技术先进的小型化发动机样机已经推出，其中的一些正准备投入商业化生产。涡轮增压、降低发动机排量以及采用汽油直喷等技术实现发动机小型化是现代车用发动机的

38、一个重要发展方向，特别完全有可能在获得良好行驶动力性能的同时,降低燃油耗和CO2排放量。实验表明:采用减小排量和废气涡轮增压技术来生产的小型化发动机，在功率相同的情况下，自然吸气发动机的排量大约可减小25%，同时燃油耗最多能降低15%;基于汽油直接喷射技术的发展，在行驶功率相同的情况下，小型化发动机尾气减少量可以超过35%，同时能够改善燃油耗20%以上,1 符合轻量化要求的汽车发动机小型化,77-294,采用两级废气涡轮增压、排量为1.2L的3缸发动机，其升功率和最大平均有效压力分别高达120kW/L和3.0MPa。具有如此优异全负荷扭矩和功率值的小型汽油机用于净重大约为1600kg的轿车上，

39、其行驶动力性能相当于搭载了2.4L排量的自然吸气汽油机，这样发动机的小型化率就能够达到50%，而新欧洲行驶循环(NEFZ)的燃油耗和CO2排放量大约可降低30%。使整车排放满足欧V法规限值。,德国马勒小型化发动机,78-294,就减少CO2排放的技术，对比目前呼声较高的混合动力车来说，小型化发动机在减少每克CO2排放的花费方面，仅是混合动力的1/3。虽然在减少CO2排放方面的效果可能不如混合动力车那么大，但是这种解决方案便宜得多。先进的小型化汽油发动机在城市工况时，能减少20%25%的CO2排放，在高速公路工况时，能减少10%。而更进一步3%CO2排放的减少，可以通过停止-启动系统来获得，另外

40、5%则可以通过手自动一体自动变速器来获得。,79-294,因此小型化发动机效能主要有以下几个方面：（1）小型化发动机在保持整车尺寸基本不变的情况下，使中高级车具有小型车的油耗和CO2排量（2）小排量发动机的全负荷性能与相对较大大排量发动机相当，动力性和操控性更好（3）改进后的小排量发动机更小、更轻，也更容易装配因而使汽车内部结构更加紧凑，车身减轻,80-294,目前发动机主要分为汽油机和柴油机。在缩小发动机排量的趋势中，汽油发动机无疑走在了前列。但是，为了实现提高燃油经济性、降低CO2排放的目标，汽油发动机相比较柴油发动机来说，在技术方面需要较大的改进。并且，小型化发动机在正式被消费者接受之前，有许多问题需要解决。,节能省油的2011款奥迪2.0L 柴油双涡轮增压发动机,身小力不亏的2009款大众1.4L TSI 小型化汽油发动机,