目前幾乎所有的優化設計的思路都是在保持車身性能不下降的前提下降低車身重量，通過給定的工況下求出載荷的最佳傳遞路徑，從而設計出最優的車身結構；與此同時，大量的新材料新工藝也在幫助車身降低重量。本文興迪源機械帶來分享 | 常見輕量化材料的優缺點。
一、為什么要推行輕量化：
1.1 基于環保的考慮
世界各國均在推行強制汽車制造商降低汽車油耗的政策。有研究數據顯示，汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽車整車重量，每減少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6升，CO2排放量可減少約5g/km。由此可見，汽車輕量化可以提高燃油效率和降低油耗，進而環保節能。所以，汽車輕量化已成為汽車企業的共識。
1.2 倒逼汽車制造技術的升級換代
如果不能保證行駛安全，汽車再輕再省油，沒有誰敢開。如果追求絕對的安全和耐撞，那就只能開重達數十噸的坦克，忍受每小時數百升的耗油量。因此輕量化是汽車制造的趨勢，目前輕量化主要是減少汽車自重，但是，車身作為汽車的主要承載件，需要保證足夠的剛度、強度和疲勞耐久性能，從而使整車具有良好的安全、振動噪音和耐久性能，而輕量化無疑對上述要素提出了更高的要求，這對倒逼汽車制造技術升級換代無疑是一大刺激。
二、實現汽車輕量化的基本原理：
2.1 保證足夠的剛度
剛度指的是材料抵抗外力變形的能力，通常在車身開發中特指材料在屈服前的彈性特性，良好的剛度是整車NVH性能、車輛動力性能和疲勞耐久性能的基礎，常見的評判指標有車身扭轉剛度等。剛度與材料的彈性模量相關，基本上材料種類確定，彈性模量也就確定了，比如采用高強鋼并不會提升車身的剛性，因為鋼的彈性模量都一樣。
2.2 保證足夠的強度。
強度是指零件受到沖擊載荷發生屈服后仍能維持功能的能力，常用于車身碰撞安全性、耐沖擊等性能的評估。強度與材料的屈服強度和斷裂強度相關，為了提升車子的安全性能，現代車身設計大量采用高強度鋼材就是這個原因。
2.3 保持良好的疲勞耐久性能。
疲勞耐久性能是指零件受長期交變載荷后維持功能的能力，車子的可靠性、耐用性就是基于此進行評估的。疲勞耐久特性與材料的疲勞曲線相關，當然，在車子上更重要的是焊點或其他連接方式的疲勞性能。
三、實現汽車輕量化的途徑：
3.1 優化車聲結構，提高材料利用率。
比如車身下部由非連續性改為連續性，使得汽車在碰撞時有效分散撞擊能量；增加加強筋；加強防滾架平衡桿；有限元法設計；采用承載式車身，減薄車身板料厚度等。
3.2 新材料的研發與應用：
比如使用高強度鋼材（熱成型鋼材）、輕合金（鋁合金、碳纖維、鎂合金）、記憶金屬（微晶鋼）、工程塑料、陶瓷、玻璃纖維等。
3.3 優化制造工藝：
比如激光焊接、攪拌摩擦焊、擠壓成型、熱處理、鎖錨連接等。
再比如結構膠，過去烘烤硬化結構膠只在車身上有少量應用，但是現在的趨勢是可以通過采用更多的結構膠提升車身剛度性能，從而降低結構件的重量，奧迪、沃爾沃的一些車身上采用了超過100米的結構膠；再比如填充在車身接頭的發泡硬化材料，可以有效替代傳統加強板形式的加強件，即提升性能，又降低重量。
可見目前幾乎所有的優化設計的思路都是在保持車身性能不下降的前提下降低車身重量，通過給定的工況下求出載荷的最佳傳遞路徑，從而設計出最優的車身結構。與此同時，大量的新材料新工藝也在幫助車身降低重量。
四、常見輕量化材料的優缺點：
4.1 鋁合金
優點：質量輕、耐磨、耐腐蝕、彈性好、抗沖擊性能優、加工成型好和100%可回收等特點，逐漸成為汽車企業鐘愛的材料。福特公司日前展示了 一款與美國能源部合作開發的基于Fusion/蒙迪歐打造的輕量化技術驗證車，由于使用大量鋁合金，該款車比標準版的蒙迪歐輕了363公斤，減重約25%。路虎攬勝越野車、大眾奧迪A8、奔馳CLA、通用雪佛蘭Corvette跑車等車身部分或全部采用鋁材料。新能源車方面，特斯拉Model S車型是全鋁車身，其前后懸架大部分材料也采用鋁材。
缺點：鋁合金的抗承載能力較鋼有很大的差距，所以即使是市面上全鋁車身的汽車，其底盤一般仍然采用鋼鐵材料。而且，鋁合金的制備工藝復雜，成本相對較高。目前，較多使用鋁合金的車型往往是中高檔的汽車。
4.2 鎂合金
優點：鎂合金是工程應用中最輕的結構材料，也是汽車輕量化材料中的一員。純鎂的密度僅為鋁的2/3，鋼的1/4，接近工程塑料的密度。而且鎂合金的比強度也比鋁合金、鋼鐵高。因此在不降低零部件強度條件下，鎂合金鑄件比鋁鑄件的重量減輕大約25%。此外，鎂合金還有良好的焊接和鑄造性能、對振動與沖擊的吸收性能好，抗凹陷性能好，易于機械加工。
缺點：由于價格較高和高溫抗蠕變問題尚未得到有效解決，鎂合金目前主要應用于儀表盤基座、風扇架、方向盤軸、燈托架等汽車零部件中。
4.3 碳纖維
優點：強度高。碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。寶馬最新的i3就采用了一個碳纖維的頂棚。
缺點：碳纖維是脆性材料，受力過大直接斷裂，因此損壞后基本無法修復。它高強度只限于軸向，徑向強度較低。最致命的是高昂的成本，使得碳纖維目前只能局限在部分超豪華車型上，難以普及。例如雷克薩斯推出的全碳纖維車身和底盤的LFA，售價高達30萬-40萬英鎊。很明顯，在相當長時期內，碳纖維不會成為汽車的主要材料。
4.4 工程塑料
優點：具有質輕、防銹、吸震、可設計自由大等特點，工程塑料在汽車零部件，特別是內飾部件的應用越來越大。工程塑料在汽車上的用量，甚至超過了鑄鐵的用量。很多塑料零件應用于車身上，比如大眾系的車子都采用了塑料的前端水箱框架，有些車子有塑料的后地板等等。
缺點：滿滿的塑料感，檔次低。
4.5 鋼鐵材料
提高性能：高強度鋼在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面較鋁、鎂合金、碳纖維具有明顯的優勢，能夠滿足減輕汽車質量和提高碰撞安全性能的雙重需要。從成本與性能角度雙重來看，先進高強度鋼是滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的最佳材料。高強鋼，通過提升鋼材的屈服強度，使同樣結構設計的情況下，縱梁能吸收更多能量，A柱B柱不發生明顯變形等等。現在屈服強度1000MPa的熱成形鋼已經普及了，未來屈服強度超過2000MPa的馬氏體鋼也已經開始了產業化。
降低成本：在保證性能的前提下，生產廠商會使用成本更低的材料，以獲得更高的利潤。以我們日常生活中常見的易拉罐為例。寶鋼生產的鋼制易拉罐，罐壁最薄處只有0.007毫米，毫不遜色于鋁制易拉罐，而且能耗更低、更容易降解。最重要的是，每個鋼制易拉罐比鋁制易拉罐的成本少1分錢。這就意味著寶鋼每年向可口可樂公司提供數十億個鋼制易拉罐，其節省成本約上千萬。
【興迪源機械簡介】
興迪源機械(Xingdi Machinery)是一家專注流體壓力成形技術的鍛壓設備制造企業。自2007年創立以來，興迪源機械一直致力于內高壓成形的技術創新和產品研發。主營產品范圍從生產普通液壓設備，現今發展至生產、研發國內頂尖流體壓力成形技術的鍛壓設備。
目前，興迪源內高壓成形智能設備已運用在制造航空、航天、核電、石化、汽車、摩托車、自行車業的沿構件軸線變化的圓形、矩形或異形截面空心構件以及管路配件的生產制造中。同時也適用于生產航空飛行器上輕體構件有空心結構框架、發動機上中空軸類件、進排氣系統異型管和復雜管件等。
