車身上應(yīng)用的不斷擴(kuò)大的高強(qiáng)、輕質(zhì)材料主要為高強(qiáng)度鋼與超高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金工程塑料以及符合材料等。
高強(qiáng)度鋼
高強(qiáng)度鋼主要應(yīng)用于前防撞梁，A、B、C柱加強(qiáng)件，門檻梁，車門防撞梁和車頂橫梁等關(guān)鍵部位，并且因公比例逐漸擴(kuò)大。歐美部分車身車身高強(qiáng)度鋼應(yīng)用比例已超過60%，如奧迪A3、寶馬3系、凱迪拉克ATS、福特蒙迪歐等；日系車型高強(qiáng)度鋼占比也超過50%，如英菲尼迪Q50、本田思域等；
鋁合金
鋁合金已由發(fā)動(dòng)機(jī)罩向翼子板、行李廂蓋及車門上逐漸延伸，部分高端車已實(shí)現(xiàn)全部鋁合金車身；
鎂合金
鎂合金已經(jīng)從方向盤骨架、座椅骨架向轉(zhuǎn)向支撐、傳動(dòng)系殼體零件上發(fā)展；
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已開始應(yīng)用于前段模塊、后尾門、進(jìn)氣歧管等零部件；碳纖維復(fù)合材料已由跑車、豪華車向中高端車和電動(dòng)車應(yīng)用擴(kuò)展。如圖某轎車帶四門兩蓋的車身結(jié)構(gòu)。
在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，車型開發(fā)前期，對(duì)車身結(jié)構(gòu)做出更合理的設(shè)計(jì)規(guī)劃更為重要。目前多材料車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)正在向著搭建參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)（如圖），應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)-材料-性能一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方向發(fā)展。
一、材料應(yīng)用
1、高強(qiáng)度鋼高強(qiáng)度鋼主要應(yīng)用在車上內(nèi)外板以及車上結(jié)構(gòu)件，同時(shí)高強(qiáng)度鋼可以有效提升車身被動(dòng)安全性。先進(jìn)剛度剛在汽車超輕鋼車身、先進(jìn)概念車上應(yīng)用，在減重、節(jié)能、提高安全性、降低排放發(fā)面應(yīng)用前景良好。雖然在成型中面臨回彈等問題挑戰(zhàn)，但相比于其他替代材料，高強(qiáng)度鋼還是性價(jià)比最好、最具吸引力的材料。2、鋁合金鋁合金的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，以奧迪汽車推推出的全鋁空間框架車身為代表。提出了奧迪全鋁車身框架概念（ASF），推出相應(yīng)車身Audi100、第一代Audi A8、A2.除奧迪其他公司也推出了全鋁車身，如捷豹XJ、新路虎攬勝、奔馳S級(jí)車等如圖所示。變形鋁合金在車身零件級(jí)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用方面發(fā)展比較快，如應(yīng)用日益廣發(fā)的鋁合金行李箱蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩蓋、后背門、保險(xiǎn)杠橫梁等，隨著凝固鋁合金、粉末冶金鋁合金、超塑性鋁合金、鋁基復(fù)合材料和泡沫鋁材等新材料的開發(fā)應(yīng)用，未來鋁合金在汽車應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，并將呈現(xiàn)鑄件、型材、板材并舉的局面，預(yù)計(jì)未來鋁將成為僅次于鋼的第二大汽車用材料。
奧迪A8全鋁車身
3、鎂合金目前鎂合金在車身上主要集中在方向盤骨架。儀表盤骨架、座椅骨架等零部件上，在白車身結(jié)構(gòu)件上還沒有量產(chǎn)應(yīng)用。目前僅有克萊斯勒某車型上做過嘗試，如圖。由于鎂合金耐腐性和成型方面限制，目前尚未得到廣泛應(yīng)用。
4、復(fù)合材料
汽車工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)首先應(yīng)用于保險(xiǎn)杠，而后用與生產(chǎn)變截面彈簧鋼板以代替鋼板，之后又用與生產(chǎn)四門兩蓋。復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用是在20世紀(jì)80年代中期以后。1990年福特、克萊斯勒相繼開發(fā)出復(fù)合材料。
復(fù)合材料具有許多金屬材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：密度低、比強(qiáng)高、比模高；材料性能具有可設(shè)計(jì)性；制品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度大，易實(shí)現(xiàn)集成化、模塊化設(shè)計(jì)；抗腐蝕性好、耐久性能好，隔聲降噪；可采用多種成型工藝，模具成本低；A級(jí)表面，可免噴涂等工序；投資少，生產(chǎn)周期短。目前，汽車輕量化發(fā)展需求迫切，從成本性能發(fā)展綜合考慮，可用于車身結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料以樹脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為首選。可以應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩蓋、翼子板、車頂、行李箱、門板、底盤燈結(jié)構(gòu)件中。
隨著車用復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已廣發(fā)的應(yīng)用在跑車、豪華車上，于鋁合金構(gòu)件比，復(fù)合材料可以減重50%左右，目前車上碳纖維已從單向絲、雙向編制物，發(fā)展到多軸中空的碳纖維預(yù)制體，可獲得多種形狀結(jié)構(gòu)的汽車部件，如圖寶馬I3電動(dòng)汽車復(fù)合材料應(yīng)用。
二、制造工藝
1、熱成形精度高、成形性能好，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)高強(qiáng)度汽車保險(xiǎn)杠，車門防撞桿，A、B、C柱加強(qiáng)件，車頂框架，中通道等安全件和結(jié)構(gòu)件。目前該技術(shù)在國外發(fā)展很快，美國通用、福特德國大眾等在用該項(xiàng)技術(shù)制造高強(qiáng)度沖壓件。中國一汽紅旗H7車身下部也規(guī)?；褂脽岢尚渭夹g(shù)，如圖：
1985年奧迪成功采用全球第一塊激光拼焊板。20世紀(jì)90年代，歐美、日本各大汽車企業(yè)開始大規(guī)模使用激光拼焊技術(shù)。近年來該項(xiàng)技術(shù)在全球新型鋼制車身設(shè)計(jì)和制造商應(yīng)用廣泛。如圖中國一汽H7車身使用激光焊接的典型結(jié)構(gòu)件。
利用激光焊接技術(shù)可以減少汽車零部件數(shù)量、減輕車身重量、提高原材料利用率、提高結(jié)構(gòu)功能、增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)靈活性。
3、差厚板差厚板是在激光焊接之后，為解決激光拼焊板存在的問題而出現(xiàn)的，生產(chǎn)過程如圖
差厚板可以代替激光拼焊板，從而更好的實(shí)現(xiàn)輕量化。但不完全代替激光拼焊板，因?yàn)榧す馄春赋撕附硬煌穸劝辶线€可以焊接不同材料、強(qiáng)度的板焊接在一起，差厚板不能實(shí)現(xiàn)這一功能。
三、成本估計(jì)
高強(qiáng)度鋼與其他輕質(zhì)材料比，價(jià)格低、經(jīng)濟(jì)性好，廣泛的應(yīng)用可提高車是安全性。高強(qiáng)度鋼可以減薄材料，所以與普通鋼板相比可以做大成本不大幅增加，約為普通鋼板的1.5倍。
鋁合金密度2.68g/cm3，僅為鋼板的1/3?？紤]到使用鋁材需要增加厚度及截面，可以減重30%~50%,與鋼板相比，一般鋁板件成本將增加2-5倍。
碳纖維復(fù)合材料密度1.5 g/cm3，不及鋼的1/5。碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到車門、發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩蓋、行李箱蓋能夠減重50%以上，其材料成本相對(duì)鋼板增加5倍以上。
四、輕量化水平
國內(nèi)汽車輕量化產(chǎn)業(yè)未形成規(guī)模，產(chǎn)業(yè)鏈不夠完整，與國外差距較大。國際主流車型高強(qiáng)度鋼車身占比60%以上，強(qiáng)度級(jí)別780MPa、980MPa的鋼在車身構(gòu)件上已相當(dāng)普遍。高強(qiáng)度鋼可以在不降低安全性與舒適性前提下，零件減重20~30%。
國外或者國內(nèi)合資高端車型部分零部件應(yīng)用輕質(zhì)材料，工程塑料零部件相對(duì)鋼制部件可以減重30%~35%，鋁合金零部件相對(duì)鋼制零部件也減重30%~50%，鎂合金零部件相對(duì)鋼制零部件可以減重40%~55%，碳纖維復(fù)合材料零部件相對(duì)鋼制零部件可減重40%~60%。
五、車身輕量化技術(shù)路徑
國外車身輕量化路徑如下圖所示：
借鑒國外技術(shù)可以探索我國車身輕量化技術(shù)發(fā)展路線
1、 短期目標(biāo)：加大剛強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼應(yīng)用比例，合理減薄鋼板厚度，廣泛應(yīng)用先進(jìn)成形技術(shù)和鏈接技術(shù)，達(dá)到預(yù)計(jì)的輕量化目標(biāo)。
途徑：采用高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼、工程塑料，適量應(yīng)用鎂鋁合金及復(fù)合材料，進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，歐皇鋼板厚度斷面形狀、尺寸，廣泛應(yīng)用激光焊接、熱成形工藝及先進(jìn)連接技術(shù)。
2、 中期目標(biāo)：掌握鋁鎂合金、復(fù)合材料特性及連接技術(shù)，結(jié)構(gòu)-材料-性能一體化輕量化多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所需與國外技術(shù)水平差距。
路徑：擴(kuò)大鋁鎂合金、復(fù)合材料在車身上的應(yīng)用比例、零部件數(shù)量，根據(jù)材料性能優(yōu)化設(shè)計(jì)鋁鎂合金與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮材料本身性能優(yōu)勢(shì)。
3、 長期目標(biāo)：逐漸掌握碳纖維復(fù)合材料特性、零部件設(shè)計(jì)方法、高效制造工藝、性能控制方法和連接技術(shù)，逐漸趕超汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家汽車輕量化技術(shù)水平。
途徑：熟練應(yīng)用鋼鋁混合車身設(shè)計(jì)、制造與連接技術(shù)，逐漸掌握碳纖維復(fù)合材料零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高效制造、性能調(diào)控和連接技術(shù)，擴(kuò)大碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用比例。
