截止到目前，全球汽車(chē)保有量已接近12億輛，汽車(chē)造成的能源消耗與污染物排放問(wèn)題日益凸顯。低排放、低油耗已成為節(jié)約型社會(huì)長(zhǎng)期發(fā)展所不可或缺的需要。汽車(chē)輕量化則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，中外車(chē)企也爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)出了一系列輕量化新品。
　　相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)的整車(chē)質(zhì)量若減少10%，燃油利用效率可在原基礎(chǔ)上增加6%～8%；若滾動(dòng)阻力減少10%，燃油效率可提高3%；若汽車(chē)車(chē)橋、變速器等機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率增加10%，燃油利用效率可增加7%?？梢?jiàn)，伴隨汽車(chē)輕量化而來(lái)的突出優(yōu)勢(shì)就是降低燃油消耗，減少污染物的排放。

　　汽車(chē)輕量化實(shí)現(xiàn)途徑
　　汽車(chē)輕量化技術(shù)可以分為三個(gè)主要方面：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料應(yīng)用和采用先進(jìn)制造工藝。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面包括汽車(chē)結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化；輕量化材料包括高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、碳纖維、塑料和復(fù)合材料等；先進(jìn)制造工藝方面包括，液壓成形和激光焊接等。
　　1.合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　20世紀(jì)70年代，得益于計(jì)算力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，美國(guó)通用汽車(chē)等公司率先采用了有限元法，目的是進(jìn)行汽車(chē)設(shè)計(jì)探索。1990年后，大型計(jì)算機(jī)輔助工程軟件（CAE）漸漸成熟，開(kāi)始在汽車(chē)零部件和整車(chē)開(kāi)發(fā)中進(jìn)行應(yīng)用，并呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，CAE已普遍在汽車(chē)整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用，同時(shí)也在汽車(chē)零部件的設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。
　　（1）尺寸優(yōu)化。結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化要有設(shè)計(jì)參數(shù)，一般以汽車(chē)零部件的形狀尺寸為變量，以滿(mǎn)足各種工況下的剛度、振動(dòng)、強(qiáng)度、吸能等為約束前提。有關(guān)汽車(chē)設(shè)計(jì)中的線性靜力學(xué)問(wèn)題和線性振動(dòng)問(wèn)題，可以使用傳統(tǒng)的數(shù)值優(yōu)化算法對(duì)輕量化直接進(jìn)行設(shè)計(jì)。汽車(chē)設(shè)計(jì)中會(huì)面臨各種各樣的問(wèn)題，線彈性問(wèn)題就是設(shè)計(jì)首先要面對(duì)的，因此，以線彈性尺寸優(yōu)化為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法在輕量化設(shè)計(jì)中得到普遍應(yīng)用，包括對(duì)汽車(chē)上使用的零部件進(jìn)行優(yōu)化和對(duì)汽車(chē)進(jìn)行減重。
　　汽車(chē)設(shè)計(jì)不僅僅要同時(shí)考慮振動(dòng)、線性靜力問(wèn)題，還需要對(duì)非線性問(wèn)題進(jìn)行考慮。因?yàn)槠?chē)的碰撞過(guò)程非常復(fù)雜，它涵蓋了高速運(yùn)動(dòng)與碰撞、大變形以及非線性問(wèn)題，往往很難得到有關(guān)碰撞響應(yīng)的靈敏度信息，所以沒(méi)有好的辦法將傳統(tǒng)優(yōu)化算法進(jìn)行直接應(yīng)用。為了解決這個(gè)難題，汽車(chē)設(shè)計(jì)師們以往采用近似模型法，或是將汽車(chē)發(fā)生的碰撞看成是一個(gè)過(guò)程，過(guò)程中的每一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的載荷用線性載荷進(jìn)行等效，隨后以線性載荷為基礎(chǔ)來(lái)對(duì)輕量化進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　目前比較典型的近似方法有響應(yīng)面函數(shù)法（response surfacemethod，RSM）、徑向基函數(shù)法（radial basis function，RBF）及Kriging模型法等。以近似模型方法為支撐，對(duì)汽車(chē)碰撞問(wèn)題進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化、安全性設(shè)計(jì)。
　　（2）形狀優(yōu)化。形狀優(yōu)化即適當(dāng)改變汽車(chē)的外形，目的是為了使結(jié)構(gòu)更加均勻地受力，具體措施是對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)的整體或者外部局部形狀進(jìn)行優(yōu)化，從而使材料能夠發(fā)揮出更大的潛力。形狀優(yōu)化方法對(duì)于擁有規(guī)則幾何外形的形狀結(jié)構(gòu)，可以對(duì)結(jié)構(gòu)的幾何外形進(jìn)行參數(shù)化，這樣就可以將形狀優(yōu)化向尺寸優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行轉(zhuǎn)變。但是從汽車(chē)本身的結(jié)構(gòu)看，其中很多地方都是不規(guī)則的幾何外形，對(duì)于這樣的情況就難以采用參數(shù)方法來(lái)對(duì)汽車(chē)幾何外形進(jìn)行描述，這是無(wú)法解決的一個(gè)難題。現(xiàn)階段對(duì)于這個(gè)問(wèn)題人們想到了一種解決辦法：采用無(wú)參形狀優(yōu)化方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)就是不需要對(duì)尺寸參數(shù)進(jìn)行考慮。
　?。?）拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化要有進(jìn)行優(yōu)化的對(duì)象，一般是指事先就已經(jīng)指定好的設(shè)計(jì)空間的材料分布，然后采用拓?fù)鋬?yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化，自動(dòng)得到最優(yōu)化的動(dòng)力傳遞路徑，以達(dá)到盡可能多節(jié)省材料的目標(biāo)。拓?fù)鋬?yōu)化被廣泛承認(rèn)是一種最具有應(yīng)用價(jià)值的方法，拓?fù)鋬?yōu)化也有其局限性，主要應(yīng)用在汽車(chē)開(kāi)發(fā)前期的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了很多種拓?fù)鋬?yōu)化方法，Bendsoe等研究人員開(kāi)發(fā)出的變密度法就是其中最主要的拓?fù)鋬?yōu)化方法之一。但是變密度方法也存在著局限性，它的計(jì)算結(jié)果僅是提供汽車(chē)結(jié)構(gòu)主要的材料分布情況，同時(shí)還需汽車(chē)設(shè)計(jì)師再次進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以為了得到效果明顯的質(zhì)量減輕的可行性結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)人員可謂費(fèi)勁心思，就是要綜合利用拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等多種優(yōu)化方法。
　?。?）多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化。汽車(chē)輕量化不是簡(jiǎn)單的問(wèn)題，它涉及到多門(mén)學(xué)科綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化的問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)車(chē)身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)就不能單單考慮一個(gè)方面，需要對(duì)如強(qiáng)度、剛度、碰撞安全性、舒適性、疲勞等多個(gè)學(xué)科性能進(jìn)行同時(shí)考慮。但因?yàn)槟壳按嬖诘姆N種問(wèn)題，還不能夠在一次優(yōu)化中對(duì)它們進(jìn)行全面綜合的考慮。在輕量化設(shè)計(jì)中開(kāi)發(fā)人員找到了一種可行方法，即采用“分解—協(xié)調(diào)”的方案，這是一種多學(xué)科優(yōu)化方法。這種方法稱(chēng)為多級(jí)優(yōu)化方法，目前典型的方法有并行子空間方法（concurrent subspaceoptimization，CSSO）、協(xié)同優(yōu)化方法（collaborative optimization，CO）、解析目標(biāo)遞傳法（analyticaltarget cascading，ATC）等。

　　2.新材料應(yīng)用
　　對(duì)汽車(chē)車(chē)身減重是車(chē)企進(jìn)行輕量化的一大途徑，具體有以下多種方案：
　　（1）采用高強(qiáng)度鋼。相比于其他的材料，高強(qiáng)度鋼可以在同密度、同彈性模量而且工藝性能好的情況下，達(dá)到截面厚度減薄的效果。由于鋁、鎂合金等輕量化材料本身的局限性，在現(xiàn)階段汽車(chē)制造中鋼的使用量還是占主要地位，將來(lái)汽車(chē)材料中使用最多的仍是高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼因?yàn)槠渥陨淼膬?yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)結(jié)構(gòu)的薄壁化，適當(dāng)采用高強(qiáng)度鋼可以降低整車(chē)質(zhì)量。
　　據(jù)JDDRG統(tǒng)計(jì)，1980年高強(qiáng)度鋼板采用的比例是8.7%，時(shí)隔12年后的1992年就已經(jīng)上升到23.3%，如今ULSABAVC項(xiàng)目研制的概念車(chē)中高強(qiáng)度鋼材料的使用量已經(jīng)占到了97%。瑞典SSAB公司已經(jīng)研制出材料屈服強(qiáng)度達(dá)到00MPa的超高強(qiáng)度冷軋薄鋼板；韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司也成功研制了成形很好的輕量化汽車(chē)鋼板；我國(guó)在開(kāi)發(fā)超細(xì)晶粒鋼方面也取得了一些成績(jī)，寶鋼、攀鋼、珠鋼和武鋼都開(kāi)發(fā)出了一系列新型細(xì)晶化低碳高強(qiáng)度鋼板。但目前我國(guó)在這方面還比較落后于國(guó)際先進(jìn)水平。
　?。?）采用鋁合金。國(guó)際鋁協(xié)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2006年鋁合金在單個(gè)轎車(chē)中的平均用量為121kg，2015年為150kg，預(yù)計(jì)2020年會(huì)達(dá)到180k g?，F(xiàn)階段汽車(chē)用鋁合金中，占主要部分的是鑄鋁，在汽車(chē)用鋁量中約占80%。鍛造鋁的力學(xué)性能更好，在汽車(chē)上也得到了應(yīng)用，如橫向轉(zhuǎn)向叉、鍛造鋁車(chē)輪已在Audi A8、A4等車(chē)型上進(jìn)行應(yīng)用。
　　變形鋁合金中的鋁型材、鋁板從20世紀(jì)80年代在前翼子板、車(chē)身發(fā)罩外板、頂蓋開(kāi)始進(jìn)行應(yīng)用，后來(lái)在行李箱蓋板、車(chē)門(mén)、車(chē)廂底板結(jié)構(gòu)件、保險(xiǎn)杠、熱交換器甚至全鋁車(chē)身等也得到了應(yīng)用。此外，鋁合金泡沫是一種超輕多孔隙結(jié)構(gòu)材料，是鋁合金經(jīng)發(fā)泡后得到的，
具有很好的隔振、吸能、吸聲等特性，同樣可以作為輕量化材料應(yīng)用于汽車(chē)上。
　?。?）鎂合金。在汽車(chē)輕量化材料中，鎂合金目前被公認(rèn)為最有發(fā)展前景的材料。最早能夠追溯到80年前，大眾生產(chǎn)的甲殼蟲(chóng)上就采用了鎂合金材料構(gòu)件。1982年，隨著鎂合金價(jià)格的下降和防腐性能的提高，福特汽車(chē)公司再次將鎂合金應(yīng)用于變速器、離合器、制動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向柱等各類(lèi)殼體零件上。我國(guó)“十五規(guī)劃”中對(duì)鎂合金進(jìn)行重大專(zhuān)項(xiàng)攻關(guān)，在部分車(chē)型上已開(kāi)始采用進(jìn)行應(yīng)用，例如課題立項(xiàng)取得的成果中可以采用鎂合金制造的變速器、方向盤(pán)的心部骨架等部件。轎車(chē)上鎂鑄件的應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)比較廣泛，在汽車(chē)上合金零部件的應(yīng)用已有近70種，如變速器箱體、轉(zhuǎn)向盤(pán)骨架等。
　?。?）鈦合金。隨著90年代跑車(chē)、豪華汽車(chē)、賽車(chē)市場(chǎng)規(guī)模的逐年擴(kuò)大，鈦合金制零部件得到了快速發(fā)展。鈦合金零部件目前主要有以下應(yīng)用：發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、氣門(mén)彈簧座、發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)、鈦合金彈簧、排氣系統(tǒng)及消音器、渦輪增壓器、車(chē)體框架等。但其高成本制約了鈦合
金在汽車(chē)上的應(yīng)用，同時(shí)鈦合金的成形及焊接問(wèn)題也未得到解決。
　　（5）碳纖維復(fù)合材料。早在1992年美國(guó)通用汽車(chē)公司就研制了超輕概念車(chē)，該車(chē)身使用了碳纖維復(fù)合材料，車(chē)身的整體質(zhì)量?jī)H為191kg。福特汽車(chē)公司為了進(jìn)一步降低汽車(chē)質(zhì)量，2008年為燃料電池汽車(chē)研制出一款碳纖維復(fù)合材料行李箱蓋。歐盟開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)與一
家德國(guó)大絲束碳纖維廠家及日本三大碳纖維廠家合作開(kāi)發(fā)全CFRP汽車(chē)。國(guó)內(nèi)車(chē)企也已經(jīng)開(kāi)始在碳纖維復(fù)合材料方面開(kāi)展研究，如上汽集團(tuán)技術(shù)中心與同濟(jì)大學(xué)合作，探索了碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)上應(yīng)用的可行性，尤其是在車(chē)身外覆蓋件上。
　?。?）塑料。塑料是汽車(chē)上采用最多的非金屬材料。世界汽車(chē)在2000年塑料平均用量每輛就已達(dá)105kg，在汽車(chē)總質(zhì)量中約占8%～12%。最近幾年，我國(guó)汽車(chē)塑料件占整車(chē)質(zhì)量的比例達(dá)到12%～18%。近年來(lái)塑料在發(fā)動(dòng)機(jī)周?chē)蛙?chē)身板的零部件上的使用量在持續(xù)增加，占車(chē)身總質(zhì)量的10%～15%，尤以美歐和德國(guó)的車(chē)企采用為多。例如奔馳Smart汽車(chē)、蓮花Elise汽車(chē)和雷諾Espace均采用了塑料車(chē)身；1998年戴一克公司開(kāi)發(fā)的CCV概念車(chē)采用了四塊熱塑車(chē)身板，算上板材連接件，白車(chē)身板總質(zhì)量?jī)H為95kg，在全熱塑車(chē)身方面開(kāi)創(chuàng)了里程碑，前大燈和尾燈的玻璃也將摒棄傳統(tǒng)的天然材料，轉(zhuǎn)而使用一般性熱固性塑料。
　　（7）其他輕量化材料。精細(xì)陶瓷材料是繼金屬、塑料之后發(fā)展起來(lái)的第3大類(lèi)材料，其發(fā)展歷史僅有短短的20年。陶瓷材料不僅直接起到減重的效果，更因其杰出的耐腐蝕性、耐熱性和耐磨性，用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱交換器及燃燒室等零部件，增大功率，極大降低燃油消耗。蜂窩夾層材料在飛機(jī)上是早已普遍采用的新型材料，其最大特點(diǎn)是比強(qiáng)度高、剛性高、密度低。目前在汽車(chē)上應(yīng)用的實(shí)例還較少，但在不斷進(jìn)行應(yīng)用研究，相信將來(lái)會(huì)得到較多應(yīng)用。

　　3.輕量化制造工藝
　　除了采用以上所述輕量化材料和結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到汽車(chē)輕量化，與之相應(yīng)的制造工藝也獲得了應(yīng)用，如用于車(chē)身結(jié)構(gòu)連接的膠接和膠焊工藝等，還有其他一些新型成形和連接工藝，如激光焊接、液壓成形和激光拼焊等。
　?。?）液壓成形。德國(guó)奔馳與寶馬是最早在汽車(chē)上采用液壓成形零件的車(chē)企，奔馳在1993年成立了管材液壓成形加工車(chē)間，“ULSAB計(jì)劃”于1994年啟動(dòng)，促進(jìn)了液壓成形技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)相關(guān)的機(jī)構(gòu)與車(chē)企強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合組成了“液壓成形技術(shù)研究開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)”，加快該技術(shù)的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)。2000年，中國(guó)一汽集團(tuán)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合開(kāi)發(fā)成功國(guó)內(nèi)首臺(tái)液壓成形設(shè)備，該設(shè)備不能生產(chǎn)大型零件，只能用于生產(chǎn)形狀不大的零件，如Audi A6轎車(chē)后軸縱臂。中國(guó)一汽2001年探索應(yīng)用液壓成形技術(shù)生產(chǎn)M6轎車(chē)副車(chē)架。目前，液壓成形產(chǎn)品已經(jīng)廣泛的在汽車(chē)上進(jìn)行應(yīng)用，已在超過(guò)50%的汽車(chē)底盤(pán)上進(jìn)行裝配應(yīng)用。
　　（2）激光焊接。激光焊接可以將不同材質(zhì)、不同厚度、不同沖壓性能、不同強(qiáng)度和不同表面處理狀況的板坯往一起拼焊，用來(lái)進(jìn)行大型覆蓋件壓制。這種拼接板坯的使用不但可使沖壓件強(qiáng)度合理又可使質(zhì)量減輕，并能使零件和模具數(shù)量減少，使尺寸精度提高，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度；進(jìn)而提高設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的效率，縮短周期，避免材料浪費(fèi)，達(dá)到成本降低的目的。最早于1985年德國(guó)大眾將激光拼焊在Audi車(chē)型的底盤(pán)上應(yīng)用。目前，幾乎全部車(chē)企都應(yīng)用了激光拼焊技術(shù)。在汽車(chē)制造中激光焊接的另一個(gè)重要應(yīng)用是激光焊接車(chē)身框架。激光焊接屬于連續(xù)連接，可以使得車(chē)身的強(qiáng)度和剛度提高；同時(shí)，采用激光焊接技術(shù)可以減少鋼板使用量，達(dá)到降低車(chē)身質(zhì)量的目的。例如，德國(guó)大眾2004年的第5代Golf車(chē)身，激光焊達(dá)到了70m。

　　未來(lái)汽車(chē)輕量化應(yīng)主要著眼于發(fā)展以下幾方面的技術(shù)：
　?。?）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。應(yīng)進(jìn)一步研究和完善汽車(chē)結(jié)構(gòu)的多學(xué)科、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以及拓?fù)鋬?yōu)化方法，并將拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等多種優(yōu)化方法結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，希望獲得可行性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，以達(dá)到汽車(chē)明顯減重的效果。
　?。?）輕量化材料應(yīng)用。大力擴(kuò)大變形鎂合金、鈦合金、新型塑料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用；進(jìn)行多種材料混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論、方法和相應(yīng)工藝研究，在汽車(chē)的各個(gè)部位采用合適的相應(yīng)材料，充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢(shì)，以多材料一體化的設(shè)計(jì)理論和方法實(shí)
現(xiàn)選材與零部件功能的最優(yōu)組合。
　?。?）先進(jìn)制造工藝：推廣液壓成形、激光焊接在汽車(chē)制造中的應(yīng)用，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)熱成形工藝和變厚度板的應(yīng)用技術(shù)。
　　此外，汽車(chē)所有零部件質(zhì)量總和約占整車(chē)質(zhì)量的3/4，汽車(chē)零部件輕量化技術(shù)研究必須得到重視?？傊?，應(yīng)充分發(fā)揮不同輕量化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化技術(shù)的系統(tǒng)化和集成化。