截止到目前，全球汽車保有量已接近12億輛，汽車造成的能源消耗與污染物排放問題日益凸顯。低排放、低油耗已成為節(jié)約型社會長期發(fā)展所不可或缺的需要。汽車輕量化則是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，中外車企也爭相開發(fā)出了一系列輕量化新品。
　　相關(guān)文獻數(shù)據(jù)顯示，汽車的整車質(zhì)量若減少10%，燃油利用效率可在原基礎(chǔ)上增加6%～8%；若滾動阻力減少10%，燃油效率可提高3%；若汽車車橋、變速器等機構(gòu)的傳動效率增加10%，燃油利用效率可增加7%?？梢?，伴隨汽車輕量化而來的突出優(yōu)勢就是降低燃油消耗，減少污染物的排放。

　　汽車輕量化實現(xiàn)途徑
　　汽車輕量化技術(shù)可以分為三個主要方面：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、輕量化材料應(yīng)用和采用先進制造工藝。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面包括汽車結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化和多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化；輕量化材料包括高強度鋼、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
　　20世紀(jì)70年代，得益于計算力學(xué)和計算機技術(shù)的進步，美國通用汽車等公司率先采用了有限元法，目的是進行汽車設(shè)計探索。1990年后，大型計算機輔助工程軟件（CAE）漸漸成熟，開始在汽車零部件和整車開發(fā)中進行應(yīng)用，并呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。經(jīng)過近十年的發(fā)展，CAE已普遍在汽車整車結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了應(yīng)用，同時也在汽車零部件的設(shè)計中得到應(yīng)用。
　　（1）尺寸優(yōu)化。結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化要有設(shè)計參數(shù)，一般以汽車零部件的形狀尺寸為變量，以滿足各種工況下的剛度、振動、強度、吸能等為約束前提。有關(guān)汽車設(shè)計中的線性靜力學(xué)問題和線性振動問題，可以使用傳統(tǒng)的數(shù)值優(yōu)化算法對輕量化直接進行設(shè)計。汽車設(shè)計中會面臨各種各樣的問題，線彈性問題就是設(shè)計首先要面對的，因此，以線彈性尺寸優(yōu)化為基礎(chǔ)的設(shè)計方法在輕量化設(shè)計中得到普遍應(yīng)用，包括對汽車上使用的零部件進行優(yōu)化和對汽車進行減重。
　　汽車設(shè)計不僅僅要同時考慮振動、線性靜力問題，還需要對非線性問題進行考慮。因為汽車的碰撞過程非常復(fù)雜，它涵蓋了高速運動與碰撞、大變形以及非線性問題，往往很難得到有關(guān)碰撞響應(yīng)的靈敏度信息，所以沒有好的辦法將傳統(tǒng)優(yōu)化算法進行直接應(yīng)用。為了解決這個難題，汽車設(shè)計師們以往采用近似模型法，或是將汽車發(fā)生的碰撞看成是一個過程，過程中的每一時間節(jié)點的載荷用線性載荷進行等效，隨后以線性載荷為基礎(chǔ)來對輕量化進行優(yōu)化設(shè)計。
　　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，對汽車碰撞問題進行分析，可以實現(xiàn)汽車的輕量化、安全性設(shè)計。
　?。?）形狀優(yōu)化。形狀優(yōu)化即適當(dāng)改變汽車的外形，目的是為了使結(jié)構(gòu)更加均勻地受力，具體措施是對汽車結(jié)構(gòu)的整體或者外部局部形狀進行優(yōu)化，從而使材料能夠發(fā)揮出更大的潛力。形狀優(yōu)化方法對于擁有規(guī)則幾何外形的形狀結(jié)構(gòu)，可以對結(jié)構(gòu)的幾何外形進行參數(shù)化，這樣就可以將形狀優(yōu)化向尺寸優(yōu)化問題進行轉(zhuǎn)變。但是從汽車本身的結(jié)構(gòu)看，其中很多地方都是不規(guī)則的幾何外形，對于這樣的情況就難以采用參數(shù)方法來對汽車幾何外形進行描述，這是無法解決的一個難題?，F(xiàn)階段對于這個問題人們想到了一種解決辦法：采用無參形狀優(yōu)化方法，該方法的優(yōu)點就是不需要對尺寸參數(shù)進行考慮。
　?。?）拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化要有進行優(yōu)化的對象，一般是指事先就已經(jīng)指定好的設(shè)計空間的材料分布，然后采用拓撲優(yōu)化算法進行優(yōu)化，自動得到最優(yōu)化的動力傳遞路徑，以達到盡可能多節(jié)省材料的目標(biāo)。拓撲優(yōu)化被廣泛承認是一種最具有應(yīng)用價值的方法，拓撲優(yōu)化也有其局限性，主要應(yīng)用在汽車開發(fā)前期的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了很多種拓撲優(yōu)化方法，Bendsoe等研究人員開發(fā)出的變密度法就是其中最主要的拓撲優(yōu)化方法之一。但是變密度方法也存在著局限性，它的計算結(jié)果僅是提供汽車結(jié)構(gòu)主要的材料分布情況，同時還需汽車設(shè)計師再次進行設(shè)計。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)計人員可謂費勁心思，就是要綜合利用拓撲優(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)計優(yōu)化。汽車輕量化不是簡單的問題，它涉及到多門學(xué)科綜合設(shè)計優(yōu)化的問題。舉例來說，對車身進行輕量化設(shè)計時就不能單單考慮一個方面，需要對如強度、剛度、碰撞安全性、舒適性、疲勞等多個學(xué)科性能進行同時考慮。但因為目前存在的種種問題，還不能夠在一次優(yōu)化中對它們進行全面綜合的考慮。在輕量化設(shè)計中開發(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。這種方法稱為多級優(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
　　對汽車車身減重是車企進行輕量化的一大途徑，具體有以下多種方案：
　　（1）采用高強度鋼。相比于其他的材料，高強度鋼可以在同密度、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)階段汽車制造中鋼的使用量還是占主要地位，將來汽車材料中使用最多的仍是高強度鋼。高強度鋼因為其自身的優(yōu)點，可以實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)的薄壁化，適當(dāng)采用高強度鋼可以降低整車質(zhì)量。
　　據(jù)JDDRG統(tǒng)計，1980年高強度鋼板采用的比例是8.7%，時隔12年后的1992年就已經(jīng)上升到23.3%，如今ULSABAVC項目研制的概念車中高強度鋼材料的使用量已經(jīng)占到了97%。瑞典SSAB公司已經(jīng)研制出材料屈服強度達到00MPa的超高強度冷軋薄鋼板；韓國浦項鋼鐵公司也成功研制了成形很好的輕量化汽車鋼板；我國在開發(fā)超細晶粒鋼方面也取得了一些成績，寶鋼、攀鋼、珠鋼和武鋼都開發(fā)出了一系列新型細晶化低碳高強度鋼板。但目前我國在這方面還比較落后于國際先進水平。
　?。?）采用鋁合金。國際鋁協(xié)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2006年鋁合金在單個轎車中的平均用量為121kg，2015年為150kg，預(yù)計2020年會達到180k g。現(xiàn)階段汽車用鋁合金中，占主要部分的是鑄鋁，在汽車用鋁量中約占80%。鍛造鋁的力學(xué)性能更好，在汽車上也得到了應(yīng)用，如橫向轉(zhuǎn)向叉、鍛造鋁車輪已在Audi A8、A4等車型上進行應(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、車身發(fā)罩外板、頂蓋開始進行應(yīng)用，后來在行李箱蓋板、車門、車廂底板結(jié)構(gòu)件、保險杠、熱交換器甚至全鋁車身等也得到了應(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)用于汽車上。
　?。?）鎂合金。在汽車輕量化材料中，鎂合金目前被公認為最有發(fā)展前景的材料。最早能夠追溯到80年前，大眾生產(chǎn)的甲殼蟲上就采用了鎂合金材料構(gòu)件。1982年，隨著鎂合金價格的下降和防腐性能的提高，福特汽車公司再次將鎂合金應(yīng)用于變速器、離合器、制動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向柱等各類殼體零件上。我國“十五規(guī)劃”中對鎂合金進行重大專項攻關(guān)，在部分車型上已開始采用進行應(yīng)用，例如課題立項取得的成果中可以采用鎂合金制造的變速器、方向盤的心部骨架等部件。轎車上鎂鑄件的應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)比較廣泛，在汽車上合金零部件的應(yīng)用已有近70種，如變速器箱體、轉(zhuǎn)向盤骨架等。
　　（4）鈦合金。隨著90年代跑車、豪華汽車、賽車市場規(guī)模的逐年擴大，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)動機連桿、氣門彈簧座、發(fā)動機氣門、鈦合金彈簧、排氣系統(tǒng)及消音器、渦輪增壓器、車體框架等。但其高成本制約了鈦合
金在汽車上的應(yīng)用，同時鈦合金的成形及焊接問題也未得到解決。
　　（5）碳纖維復(fù)合材料。早在1992年美國通用汽車公司就研制了超輕概念車，該車身使用了碳纖維復(fù)合材料，車身的整體質(zhì)量僅為191kg。福特汽車公司為了進一步降低汽車質(zhì)量，2008年為燃料電池汽車研制出一款碳纖維復(fù)合材料行李箱蓋。歐盟開發(fā)新能源汽車與一
家德國大絲束碳纖維廠家及日本三大碳纖維廠家合作開發(fā)全CFRP汽車。國內(nèi)車企也已經(jīng)開始在碳纖維復(fù)合材料方面開展研究，如上汽集團技術(shù)中心與同濟大學(xué)合作，探索了碳纖維復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用的可行性，尤其是在車身外覆蓋件上。
　?。?）塑料。塑料是汽車上采用最多的非金屬材料。世界汽車在2000年塑料平均用量每輛就已達105kg，在汽車總質(zhì)量中約占8%～12%。最近幾年，我國汽車塑料件占整車質(zhì)量的比例達到12%～18%。近年來塑料在發(fā)動機周圍和車身板的零部件上的使用量在持續(xù)增加，占車身總質(zhì)量的10%～15%，尤以美歐和德國的車企采用為多。例如奔馳Smart汽車、蓮花Elise汽車和雷諾Espace均采用了塑料車身；1998年戴一克公司開發(fā)的CCV概念車采用了四塊熱塑車身板，算上板材連接件，白車身板總質(zhì)量僅為95kg，在全熱塑車身方面開創(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。
　?。?）其他輕量化材料。精細陶瓷材料是繼金屬、塑料之后發(fā)展起來的第3大類材料，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，用于汽車發(fā)動機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上是早已普遍采用的新型材料，其最大特點是比強度高、剛性高、密度低。目前在汽車上應(yīng)用的實例還較少，但在不斷進行應(yīng)用研究，相信將來會得到較多應(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)來達到汽車輕量化，與之相應(yīng)的制造工藝也獲得了應(yīng)用，如用于車身結(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。德國奔馳與寶馬是最早在汽車上采用液壓成形零件的車企，奔馳在1993年成立了管材液壓成形加工車間，“ULSAB計劃”于1994年啟動，促進了液壓成形技術(shù)的發(fā)展。美國相關(guān)的機構(gòu)與車企強強聯(lián)合組成了“液壓成形技術(shù)研究開發(fā)協(xié)會”，加快該技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)。2000年，中國一汽集團和哈爾濱工業(yè)大學(xué)強強聯(lián)合開發(fā)成功國內(nèi)首臺液壓成形設(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轎車后軸縱臂。中國一汽2001年探索應(yīng)用液壓成形技術(shù)生產(chǎn)M6轎車副車架。目前，液壓成形產(chǎn)品已經(jīng)廣泛的在汽車上進行應(yīng)用，已在超過50%的汽車底盤上進行裝配應(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、不同強度和不同表面處理狀況的板坯往一起拼焊，用來進行大型覆蓋件壓制。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)強度和剛度；進而提高設(shè)計和開發(fā)的效率，縮短周期，避免材料浪費，達到成本降低的目的。最早于1985年德國大眾將激光拼焊在Audi車型的底盤上應(yīng)用。目前，幾乎全部車企都應(yīng)用了激光拼焊技術(shù)。在汽車制造中激光焊接的另一個重要應(yīng)用是激光焊接車身框架。激光焊接屬于連續(xù)連接，可以使得車身的強度和剛度提高；同時，采用激光焊接技術(shù)可以減少鋼板使用量，達到降低車身質(zhì)量的目的。例如，德國大眾2004年的第5代Golf車身，激光焊達到了70m。

　　未來汽車輕量化應(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)計技術(shù)。應(yīng)進一步研究和完善汽車結(jié)構(gòu)的多學(xué)科、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法，以及拓撲優(yōu)化方法，并將拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等多種優(yōu)化方法結(jié)合起來應(yīng)用，希望獲得可行性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，以達到汽車明顯減重的效果。
　　（2）輕量化材料應(yīng)用。大力擴大變形鎂合金、鈦合金、新型塑料和纖維增強復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用；進行多種材料混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論、方法和相應(yīng)工藝研究，在汽車的各個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，以多材料一體化的設(shè)計理論和方法實
現(xiàn)選材與零部件功能的最優(yōu)組合。
　?。?）先進制造工藝：推廣液壓成形、激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用，并進一步開發(fā)熱成形工藝和變厚度板的應(yīng)用技術(shù)。
　　此外，汽車所有零部件質(zhì)量總和約占整車質(zhì)量的3/4，汽車零部件輕量化技術(shù)研究必須得到重視。總之，應(yīng)充分發(fā)揮不同輕量化技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)汽車輕量化技術(shù)的系統(tǒng)化和集成化。