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10.1.2 汽车轻量化是环保的要求
按2005年美国环保局的数据。各个产业的温室气体排放情况如图10-2所示，交通 运输的温室气体排放量仅次于电力工业。这些数据表明:汽车工业节能减排对于一个国 家的能源供应和环境保护都具有重要的意义。
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10.1.3 实现汽车轻量化的主要途径
10.1 概 述 10.2 结构优化设计 10.3 轻量化新材料 10.4 轻量化设计的先进成型技术 10.5 汽车轻量化评价 10.6 轻量化技术路线
10.1 概 述
随着人们对汽车安全性、舒适性、环保性能要求的提高。汽车安装空调、安全 气囊、隔热隔声装置、废弃净化装置、卫星导航系统越来越普及，这无形中增加 了汽车的质量、耗油量和耗材量。汽车工业已成为我国的支柱产业。2007 年我国 汽车消耗全国石油的６０％。图10-1 所示是1990 年以后我国石油供应结构的变 化。从图中可以看出我国石油需求量对进口的依赖度已超过５０％。今后还将进 一步加大。 随着汽车产量和保有量的增加。汽车在给人们的出行带来方便的同时 也同时产生了油耗、安全和环保三大问题。
普通高等教育规划教材
QICHE XINJISHU
汽车新技术（第二版）史 编 著第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章
汽车发动机 自动变速器 转向 悬架 制动 汽车NVH
第7章 第8章 第9章 第10章 第11章
发动机液压悬置 发动机双质量飞轮 车身 汽车轻量化 智能汽车
第10章 汽车轻量化
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10.2.3 拓扑优化设计
拓扑优化以事先指定的设计空间的材料分布为优化对象。通过优化算法自动给 出最佳传力路径，从而节省最多的材料。 拓扑优化方法被认为是最具有潜力的结 构优化方法，主要应用在结构概念设计阶段。 目前提出的拓扑优化方法有多种， 其中最主要的一种方法是变密度法。
拓扑优化将汽车零部件减重设计和汽车结构优化设计结合起来进行零部件设 计初期的概念设计。可以使得在满足零件综合性能要求的情况下获得较轻的结构 形式，指导设计者后期的设计，对于零部件结构形式的创新性设计和减重设计有 着重要的帮助。
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(２)轻质材料在汽车上的应用。包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料 等。并在前期与结构设计融为一体，以及相应的装配、制造、防腐、连接 等工艺的研究应用。 据统计汽车车身、底盘、发动机三大件占一辆轿车 总质量的６５％ 以上。 一般全钢结构白车身通过优化设计可以减重７％ 左右采用铝合金的车身可以带来３０％ ~５０％ 的轻量化效果而想减轻 更多的质量就只能求助于纤维复合材料。而先进的加工工艺是为了应对材 料和结构的变更，而提出新驶阻力越大，耗油越多。汽车行驶阻力包括滚动阻 力、坡道阻力、加速阻力和空气阻力等四部分从式(10-1)可以看出ꎬ除了空气阻 力主要与车身形状大小有关外。其他三项均与整车质量成正比 经验数据显示空 气阻力约占行驶阻力的２５％。目前，减少这部分阻力的措施通常由:流线型车 身、全黏结风窗玻璃、隐蔽式刮水器、下地板全封装等。
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10.2.1 尺寸优化设计
结构尺寸优化是应用最早、也是应用最成熟的一种汽车轻量化技术。 它一 般以汽车零部件的尺寸(如冲压件的壁厚、梁截面尺寸、减重孔的尺寸等)参数 为设计变量，以满足不同工况下的刚度、强度、振动、吸能等约束条件。以结 构质量最小为目标函数构建优化模型。
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10.2 结构优化设计
汽车轻量化结构设计主要是在满足设计性能要求的前提下，尽可能使 汽车零部件的材料在空间合理分布。避免不必要的材料利用，以获得最轻 的结构设计。大多采用ＣＡＥ 技术对汽车的结构进行优化ꎬ使零件薄壁化、 中空化、小型化、复合化。
结构优化设计分为尺寸优化设计、形状优化设计和拓扑优化设计。 其中，拓扑优设计是在设计空间内寻求结构最佳的传力路径。对提高汽车 零部件综合性能和减少汽车零部件质量的效果较其他优化更突出。
10.2.2 形状优化设计
形状优化主要是指改变结构的整体或者局部外形，使得结构受力更加均匀。 从而更加充分地利用材料。
形状优化方法有两种。对于具有几何外形的结构，可以将结构的几何外形 参数化。从而将形状优化转变为尺寸优化问题。 但是对于汽车结构来说，更 多的是具有不规则的几何外形，此时难以采用参数来描述几何外形。因此无 法将其转化为尺寸优化问题。针对这种问题，目前广泛采用不需要尺寸参数 的无参形状优化方法。
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汽车轻量化是当代国内外汽车工业发展的一个重要课题: (１)在保证汽车质量和功能不受影响的前提下，最大限度地减轻各零部件的质量降 低燃耗减少排放污染。 (２)在使汽车减轻质量、降低油耗、减少排放的同时ꎬ努力谋求高输出功率、高响 应性、低噪声、低振动、良好操纵性、高可靠性和高舒适性等。 (３)在汽车轻量化的同时ꎬ汽车的价格应当下降或保持在合理水平。具有商业竞争 能力。即汽车的轻量化技术必须是兼顾质量、性能、价格的技术。 汽车轻量化对汽车技术的不断发展起到了重要作用。
汽车轻量化技术可以分为:结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺等３ 个主要方面。其中，结构优化设计方面包括:汽车结构的尺寸优化、形状优化、拓扑 优化和多学科设计优化、轻量化材料的应用方面包括:高强度钢、铝合金、镁合金、 塑料和复合材料等。先进制造工艺方面包括:液压成型和激光焊接等。
(１)轻量化的结构设计和分析。而且这种设计已经融合到了汽车的前期概念计阶 段优化结构的主要途径是利用有限元和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计， 以减少零部件的质量和数量。
节约能源、减少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的两大问题，而减轻 汽车自重是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一。因此汽车轻量化成为 ２１ 世纪汽车技术的前沿和热点。轻量化已成为汽车优化设计和选材的主要发展 方向。
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10.1.1 汽车轻量化是实现节能减排的有效手段
汽车的燃油消耗与车重的关系很难用简单的数学关系是表达。但可以从 理论分析和试验两个方面找到它们之间的关系。 汽车行驶的阻力Ｆ 可由下 式表达: