中国汽车轻量化结构设计展望

汽车轻量化是在满足汽车使用性能要求、安全性和成本控制要求的条件下，以设计技术为引领，以新材料技术和先进制造工艺技术为支撑所实现的产品减重。轻量化贯穿整车集成优化、零部件设计、原材料供给、工艺（成形和连接）和与之相关的装备（模检夹）、材料的回收再利用等产业链。因此，轻量化不仅是一项涉及多学科交叉、多技术融合的集成技术，也是一项需要汽车产业链上下游协同的系统工程。结构设计、材料选用、工艺保障是实现汽车轻量化的三大技术途径，其中，结构设计在轻量化技术体系中处于关键引领地位，需要统筹考虑材料技术和制造工艺技术，实现汽车产品对其构型、性能、成本等方面的要求。

当前，全球新一轮科技革命和产业变革蓬勃发展，汽车产业竞争更趋白热化，电动化、网联化、智能化成为汽车产业的发展潮流和趋势。经过30余年的发展，中国新能源汽车和智能网联汽车发展均已走在世界前列。“巩固扩大智能网联新能源汽车等产业领先优势”被写入中国2024年《政府工作报告》。新的动力形式和智能网联零部件使得汽车整备质量在不断增加，带来汽车承载架构的重大改变。可以预见，未来具有智能网联特征的新能源汽车和节能汽车将成为市场的主体，轻量化的重要性更加突出。在全球汽车产业格局加速重构的历史机遇期，亟需结合新形势对轻量化结构设计的未来发展作出新思考，谋划新布局。

1 中国轻量化结构设计发展现状与挑战

1.1 发展现状

汽车轻量化技术包括结构、材料和工艺3个路线，其中结构优化设计是轻量化的基础和***重要的手段，如图9所示。目前中国轻量化结构设计的研究从逻辑上可分为两个方面：一是以材料分布***为目标的结构拓扑优化设计；二是以结构性能***为目标的结构单目标和多目标协同优化设计，主要包括拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、布局优化、单目标优化、多目标优化等。目前，以上技术已在企业得到广泛应用。根据近几年中国车身会议统计，车身采取结构优化设计实现了减重10%左右。支撑软件方面也有可喜的进展，国内已开发出具有自主知识产权的车身结构智能优化软件。

基于各向同性材料的优化设计技术，无论在国内还是国外都已成熟，并被广泛应用于整车、总成和零部件的优化设计中，显著提高了汽车轻量化结构设计开发的质量和水平。在一体化设计、可靠性设计和各向异性材料部件的设计方面，通过“十三五”***重点研发计划项目“电动汽车结构轻量化共性关键技术研究与应用”攻关，突破了全新架构电动汽车多材料车体与底盘车架正向设计开发中性能指标分解、结构优化和性能集成等技术难点，研究建立了全新架构电动汽车结构-材料-性能一体化轻量化多目标优化设计方法，并已在国内电动汽车和节能汽车开发中应用。尚在进一步深入研究和探索的技术包括基于疲劳寿命的汽车承载件轻量化结构设计、各向异性材料连接接头的高精度建模、超大型一体压铸零部件性能不均预测与优化、CAE软件与人工智能技术的深度融合。

1.2 挑战

经过10余年努力，中国汽车轻量化设计水平不断提升，自主品牌汽车产品已经由原来的钢制结构为主，发展为现在的铝镁合金结构、碳纤和玻纤增强复合材料结构、钢铝混合结构、钢塑复合结构等多种形式，乘用车整车轻量化系数从2013年的3.05降至2022年的2.3，大幅度提升了自主品牌产品的市场竞争力，也为***汽车节能减排目标的实现和中国汽车产品走向世界作出了贡献。

随着汽车架构的演变、新材料新技术的发展和数字化时代的到来，轻量化结构设计面临以下挑战：

1）面向未来全新架构的轻量化结构设计系统化研究不足

2）多方案、多目标轻量化结构设计效率亟待提升

3）人工智能与轻量化结构设计融合基础薄弱

2 未来趋势展望

2.1 多材料结构设计

由于汽车行驶工况和结构复杂多变，对每一零部件都有不同的性能要求，甚至对同一零部件的不同部位也有不同的性能要求，单一材料已经很难满足车辆精细化开发的要求，多材料混合应用成为趋势。应用多材料可以充分发挥各材料的特性，不同的比强度、比刚度，以及结构可设计性和成形特点，可以实现“刚柔并济”的协同效应，但也为结构设计带来了新挑战，包括不同材料的线膨胀系数不同导致的多材料零部件温度适应性问题、不同材料连接中电位差造成的电化学腐蚀问题、不同材料连接的可靠性等。此外，还要考虑产品全生命周期成本、全生命周期减碳和回收利用法规的约束。因此，未来多材料结构设计发展的核心，是掌握多材料零部件材料-界面-结构-性能-工艺协同设计方法，实现不同材料和性能分布之间的***匹配和协同效应。

2.2 集成化设计

集成化已经成为汽车工业轻量化结构设计研究的一个重要方向。如前所述，集成化设计是将多个零部件或功能集成到单一结构单元中，以减少材料使用、减轻重量和简化装配过程。这种设计方法允许通过减少连接点和零部件数目来优化产品的重量和性能，同时提高生产效率和结构可靠性。此外，集成化设计还有助于提升汽车的整体性能。

2.3 一体化设计

轻量化结构设计的本质是多目标、多学科的优化设计，一体化设计是将汽车开发中与结构设计相互影响的指标提取出来，如材料、结构、性能、工艺、成本、环保、低碳等，利用多学科优化面向多指标要求寻求***解。由于各学科响应函数的性质各不相同（线性、非线性、多峰、噪声等），对学科变量的选择也不同，需要经过多轮优化才能找到一个满足各个学科性能要求的妥协解。目前，材料-结构-性能的一体化设计应用较为广泛，材料-结构-性能-成本的一体化设计是当前研究热点，即设计材料、结构、性能、成本的相关变量参数并纳入优化模型，在满足轻量化、安全等单目标或多目标的前提下综合得出***方案。未来，一体化设计将纳入制造、功能、电气安全性、回收利用性、舒适度、可维修性等更多指标要求，新的设计方法及评价体系有待研究。

2.4 人工智能设计

人工智能技术的应用，可以极大提升轻量化结构设计的效率和可靠性，是未来的必然发展趋势。重点工作主要围绕以下两方面：其一，构建适应未来人工智能轻量化结构设计应用的数据体系。应面向人工智能轻量化结构设计应用，建立高质量、可持续的数据采集渠道，制定数据采集、存储、处理等标准，搭建行业协同开放共享的大数据平台。其二，面向多材料、集成化、一体化和多尺度等设计应用，开发适应未来人工智能轻量化结构设计应用的算法及模型。通用模型缺少必要的专业知识和优化决策模型，人工智能与轻量化结构设计的融合是一个系统工程，这将涉及轻量化结构设计过程的再认识、设计知识表示、多专家系统协同技术、再设计与自学习机制、智能化人机接口等多方面课题的研究。

3 发展建议

1）整合创新资源，面向汽车装配式轻量结构，系统突破多材料、集成化设计及成套技术

2）研究结构-材料-性能+X的多目标优化设计方法，构建***的轻量化评估模型和评价方法

3）布局轻量化数字化、智能化转型工作，促进轻量化与***智能制造发展战略的融合

结束语

轻量化是汽车技术体系的重要组成部分，更是形成未来汽车产业国际竞争力的关键要素之一。欧美发达***和地区汽车工业均将轻量化作为***发展战略，由专职部门负责推进汽车轻量化相关技术发展，并构建产业保障体系。在轻量化领域的持续性投入不仅驱动了创新技术的快速进步，也通过孵化和转移培育了新的经济增长点。为提升中国汽车产业国际竞争力，加快实现“汽车工业强国”的梦想，应进一步明确轻量化技术的战略地位，建立政产学研用金***协同体制，加强轻量化技术提升的持续投入，通过跨学科与跨产业协同，加快形成与汽车产业发展趋势相适应的新型轻量化结构设计技术体系和应用体系。这将有助于提升***科技水平和工业发展水平，进而支撑***新质生产力的构建。