汽车轻量化导论

第1 章　汽车工业发展呼唤汽车轻量化 1
　1.1　汽车工业发展概况 1
　1.2　节能减排是汽车工业发展的必然趋势 5
　1.3　汽车轻量化意义重大 6
　1.4　世界各国十分重视节能减排和轻量化 12
　1.5　世界各国汽车轻量化的研发现状和进展 15
　　1.5.1　美国轻量化研究现状和研发方向 17
　　1.5.2　加拿大轻量化研究现状和研发方向 20
　　1.5.3　日本轻量化研究现状和研发方向 21
　　1.5.4　德国轻量化研究现状和研发方向 21
　1.6　轻量化必须保证汽车的安全性和可靠性 22
　1.7　发展新能源汽车 23
　1.8　轻量化的LCA 评估和优化设计 26
　1.9　商用车轻量化 29
　1.10　倡导主机厂和汽车零部件厂的生态平衡关系 29
　参考文献 30

第2 章　汽车轻量化的表征参量和评价方法 32
　2.1　概述 32
　2.2　乘用车白车身设计、功能、意义和内涵 32
　2.3　乘用车整车轻量化效果的评估方法 35
　2.4　乘用车轻量化评价参量的比较 47
　2.5　商用车轻量化的表征参量 48
　参考文献 49

第3 章　汽车轻量化工程的实施 51
　3.1　概述 51
　3.2　车身的优化设计 52
　　3.2.1　有限元分析的优化设计方法 53
　　3.2.2　汽车轻量化优化设计和安全 54
　　3.2.3　多学科多目标优化技术在汽车轻量化设计中的应用 57
　　3.2.4　车身及主要结构件的拓扑优化技术 59
　3.3　合理的选材 62
　　3.3.1　几种材料特性的比较 62
　　3.3.2　几种轻量化材料全寿命周期的评价 64
　　3.3.3　主要轻量化材料的环保性分析 69
　　3.3.4　主要轻量化材料的回收性分析 70
　3.4　先进的成形技术 71
　3.5　轻量化的技术路线 71
　参考文献 78

第4 章　材料性能和零件功能的关系 80
　4.1　概述 80
　4.2　材料性能定义和范畴的拓宽 80
　4.3　材料性能和零件功能的关系、异同及表征 81
　　4.3.1　不同零件的功能和材料性能的对应关系 82
　　4.3.2　工艺因素对零件功能和材料性能的对应关系的影响 82
　　4.3.3　服役过程中的材料性能和零件功能的变化 94
　4.4　材料研发必须重视应用研究 95
　4.5　材料性能和零件功能关系的理念的应用 96
　参考文献 99

第5 章　材料高应变速率下的响应特性 102
　5.1　概述 102
　　5.1.1　应对第三次工业革命，汽车工业将向电动化、智能化、轻量化方向发展 102
　　5.1.2　现代汽车设计理念中的轻量化 102
　　5.1.3　发展轻量化技术已成为世界各国共识 104
　　5.1.4　现代汽车安全理念中的轻量化 105
　　5.1.5　虚拟开发是新车开发的重要手段 105
　5.2　汽车碰撞和工业实践需要材料在高应变速率下的响应特性 106
　　5.2.1　动态载荷和应变速率 106
　　5.2.2　高应变速率下材料力学性能的测试技术 107
　　5.2.3　高速拉伸的试样的形状和尺寸 109
　　5.2.4　高速拉伸时信号振动的基本原理及测量技术前沿 110
　　5.2.5　高速拉伸的数据处理 112
　　5.2.6　高速拉伸数据的本构方程 115
　5.3　影响高速拉伸试验数据可靠性和分散性的因素 123
　5.4　几类典型材料高速拉伸的响应特性 124
　　5.4.1　高强度钢和第一代先进高强度钢 124
　　5.4.2　防弹钢的高速拉伸性能 129
　　5.4.3　第二代先进高强度钢——高锰TWIP 钢 134
　　5.4.4　Q&P 钢和Q&PT 钢 137
　5.5　铝合金在高应变速率下的响应特性 141
　5.6　镁合金在高应变速率下的响应特性 147
　参考文献 152

第6 章　汽车用先进高强度钢的氢致延迟断裂 158
　6.1　概述 158
　6.2　可扩散氢与残余应力 159
　　6.2.1　可扩散氢 159
　　6.2.2　残余应力 161
　6.3　氢致延迟断裂的微观机理 163
　　6.3.1　不涉及塑性变形的延迟断裂机理 164
　　6.3.2　与塑性变形相关的延迟断裂机理 164
　6.4　氢致延迟断裂性能的表征方法 165
　　6.4.1　恒载荷拉伸试验 165
　　6.4.2　慢速率拉伸试验 166
　　6.4.3　断裂韧性试验 167
　　6.4.4　弯曲与冲杯试验 168
　6.5　先进高强度钢的氢致延迟断裂分析 169
　　6.5.1　热冲压钢 170
　　6.5.2　含TWIP 效应的钢 171
　　6.5.3　含TRIP 效应的钢 172
　参考文献 173

第7 章　乘用车结构的轻量化设计 179
　7.1　概述 179
　7.2　对乘用车的性能要求 179
　7.3　乘用车白车身的性能要求 181
　　7.3.1　白车身刚度 181
　　7.3.2　白车身的安全性 188
　　7.3.3　白车身的固有频率和NVH 性能 191
　　7.3.4　白车身使用寿命和回收 196
　7.4　乘用车结构CAE 分析 204
　　7.4.1　CAE 分析的重要意义 205
　　7.4.2　CAE 分析的方法 206
　　7.4.3　CAE 分析的各种软件 207
　7.5　乘用车结构轻量化的优化设计 209
　　7.5.1　结构拓扑优化设计 209
　　7.5.2　结构尺寸优化设计 211
　　7.5.3　结构形状优化设计 212
　　7.5.4　白车身结构载荷传递路径分析和抗撞性设计 213
　7.6　结构灵敏度分析方法 214
　　7.6.1　概述 214
　　7.6.2　静态灵敏度分析理论 215
　　7.6.3　结构动态灵敏度分析 218
　　7.6.4　综合选取设计变量 220
　7.7　基于性能目标最优的优化设计方法 221
　　7.7.1　概述 221
　　7.7.2　单目标优化设计 221
　　7.7.3　多目标协同优化设计 223
　7.8　白车身轻量化多目标优化设计举例 227
　参考文献 228

第8 章　商用车结构的轻量化设计 231
　8.1　商用车的工作模式和承载特性分析 231
　　8.1.1　底盘车架 232
　　8.1.2　驾驶室 232
　　8.1.3　行走机构 232
　　8.1.4　动力总成系统 232
　　8.1.5　悬架系统 233
　　8.1.6　车轮 233
　8.2　商用车驾驶室轻量化设计 233
　　8.2.1　驾驶室参数化建模 234
　　8.2.2　驾驶室弯扭刚度分析 234
　　8.2.3　驾驶室低阶模态分析 236
　　8.2.4　基于被动安全性的驾驶室轻量化优化设计 237
　　8.2.5　商用车驾驶室其他轻量化方法 242
　8.3　商用车车架结构轻量化设计 248
　　8.3.1　车架结构有限元建模 250
　　8.3.2　车架有限元自由模态分析 251
　　8.3.3　车架弯曲和扭转刚度的计算 252
　　8.3.4　车架结构强度分析 255
　　8.3.5　车架结构轻量化设计 257
　　8.3.6　车架疲劳寿命分析与轻量化 261
　8.4　驱动桥桥壳轻量化设计 265
　　8.4.1　概述 265
　　8.4.2　桥壳结构有限元建模 266
　　8.4.3　桥壳结构强度和刚度分析 269
　　8.4.4　桥壳结构轻量化设计 272
　参考文献 276

第9 章　汽车轻量化和先进高强度钢的应用 279
　9.1　概述 279
　9.2　汽车钢板的分类 281
　9.3　汽车钢板的典型显微组织 285
　9.4　汽车高强度钢和先进高强度钢的研究进展 293
　9.5　高强度钢的材料选用和设计哲学 309
　　9.5.1　应用高强度钢时的重要性能 310
　　9.5.2　设计哲学 313
　9.6　高强度钢的应用和相关问题 317
　　9.6.1　成形性 318
　　9.6.2　加工硬化特性 323
　　9.6.3　回弹 324
　　9.6.4　疲劳性能 338
　　9.6.5　应变历史对双相钢疲劳性能的影响 347
　　9.6.6　点焊性能 350
　　9.6.7　工艺性能 354
　　9.6.8　烘烤硬化 356
　　9.6.9　压溃吸能 356
　参考文献 357

第10 章　汽车轻量化和铝合金的应用 362
　10.1　概述 362
　10.2　铝合金的特点和优点 364
　10.3　汽车铝合金的应用形式 366
　　10.3.1　铸造铝合金 366
　　10.3.2　精密铸造铝合金 368
　　10.3.3　半固态铸造成形 373
　　10.3.4　锻造铝合金 379
　　10.3.5　挤压铝合金 380
　　10.3.6　变形铝合金板材 382
　10.4　各类型铝合金在汽车中的典型应用 383
　　10.4.1　铸造铝合金的应用 383
　　10.4.2　锻造铝合金的应用 391
　　10.4.3　挤压铝合金的应用 393
　　10.4.4　轧制铝合金板材 395
　10.5　铝合金在汽车典型零部件和白车身上的集成应用 397
　　10.5.1　铝合金副车架 397
　　10.5.2　铝合金在汽车悬架上的应用 399
　　10.5.3　铝合金在新能源车上的应用 401
　　10.5.4　铝合金在典型整车上的应用 403
　　10.5.5　其他新型铝合金在汽车上的典型应用 405
　10.6　汽车用高性能、高成形变形铝合金板材的研究进展 410
　　10.6.1　对汽车变形铝合金板材的力学性能要求 410
　　10.6.2　成形性 419
　　10.6.3　预处理（T4P）和抗时效稳定性 436
　　10.6.4　烘烤硬化性 441
　　10.6.5　抗凹性 442
　　10.6.6　5000 系铝合金镁含量和应力腐蚀开裂 444
　　10.6.7　油漆的光鲜性——表面状态、罗平线和橘皮 445
　　10.6.8　油漆兼容性 456
　　10.6.9　铝合金应用时的焊接技术 457
　参考文献 460

第11 章　汽车轻量化和高分子基复合材料的应用 464
　11.1　概述 464
　11.2　高分子基复合材料的定义和分类 464
　　11.2.1　高分子基复合材料的定义 464
　　11.2.2　高分子基复合材料的分类 465
　11.3　纤维增强树脂基复合材料 465
　11.4　增强纤维 466
　　11.4.1　玻璃纤维 466
　　11.4.2　碳纤维 467
　　11.4.3　芳纶纤维 468
　11.5　树脂基体 469
　　11.5.1　热固性树脂基体 469
　　11.5.2　热塑性树脂基体 470
　11.6　复合材料的界面 470
　　11.6.1　界面剪切力的提出 471
　　11.6.2　界面剪切力的测定方法 471
　11.7　热固性树脂基复合材料的制造工艺与方法 472
　　11.7.1　手糊成形工艺 472
　　11.7.2　喷射成形工艺 474
　　11.7.3　树脂传递模塑（RTM）成形 475
　　11.7.4　袋压法、热压罐法、液压釜法和热膨胀模塑法成形 476
　　11.7.5　夹层结构成形工艺 476
　　11.7.6　模压成形工艺 477
　　11.7.7　卷管成形工艺 479
　　11.7.8　缠绕成形工艺 479
　　11.7.9　拉挤成形工艺 480
　11.8　热塑性树脂基复合材料的制造工艺与方法 480
　　11.8.1　挤出成形工艺 481
　　11.8.2　注塑成形工艺 482
　　11.8.3　连续纤维增强热塑性复合材料成形工艺 483
　　11.8.4　树脂注入成形工艺 484
　　11.8.5　GMT 片材模压工艺 484
　11.9　复合材料的强度理论 485
　　11.9.1　连续纤维增强高分子基复合材料的强度 485
　　11.9.2　不连续纤维增强高分子基复合材料的强度 486
　　11.9.3　长纤维和短纤维增强高分子基复合材料的混合强度 487
　11.10　树脂基复合材料在汽车轻量化中的应用 487
　　11.10.1　汽车用复合材料的特点 487
　　11.10.2　复合材料在汽车上的应用 489
　　11.10.3　复合材料在新能源汽车上的典型应用 508
　参考文献 512

第12 章　汽车轻量化和镁合金的发展应用 514
　12.1　概述 514
　12.2　镁合金的特点和优势 515
　12.3　镁合金应用的类型 515
　　12.3.1　汽车用铸造镁合金 515
　　12.3.2　汽车用变形镁合金 516
　12.4　汽车用新型镁合金的研究现状和进展 516
　　12.4.1　高强高韧镁合金 516
　　12.4.2　耐热镁合金 518
　　12.4.3　高耐蚀性镁合金 521
　　12.4.4　高性能变形镁合金 522
　　12.4.5　阻燃镁合金 522
　　12.4.6　半固态成形镁合金 524
　　12.4.7　镁基复合材料 524
　12.5　镁合金在汽车轻量化中的典型应用 527
　　12.5.1　镁合金方向盘骨架 528
　　12.5.2　镁合金仪表盘支架 528
　　12.5.3　镁合金轮毂 529
　　12.5.4　镁合金座椅骨架 530
　　12.5.5　镁合金自动变速器壳体 530
　12.6　扩大镁合金应用的问题和方法 530
　　12.6.1　积极推进镁合金的基础研究 530
　　12.6.2　建立世界级的产品开发和设计平台 531
　　12.6.3　加快推进镁合金牌号和产品标准化 532
　　12.6.4　积极开展汽车全寿命周期评价的研究 532
　　12.6.5　大力推进汽车板EVI 服务模式 533
　　12.6.6　积极组建产学研用协同创新体 533
　参考文献 535

第13 章　汽车轻量化和热冲压成形技术 541
　13.1　概述 541
　13.2　热冲压成形材料的开发 543
　13.3　热冲压成形板的镀层 549
　13.4　热冲压成形钢的高温流变特性、FLD 和摩擦系数的测定 551
　13.5　加热工艺 555
　13.6　成形和冷却 557
　13.7　热冲压成形时的计算机模拟 558
　　13.7.1　冲压成形和冷却过程中的模拟 559
　　13.7.2　热传导模拟 560
　　13.7.3　材料的流变模型和本构方程 564
　　13.7.4　马氏体相变模型 567
　　13.7.5　成形极限图和摩擦系数 568
　13.8　不同组织状态下的22MnB5 钢的本构方程 573
　13.9　热冲压成形零件热-力耦合仿真的实际应用 575
　　13.9.1　工艺参数对热冲压成形前防撞梁的影响 575
　　13.9.2　热冲压成形零件开模变形的仿真 581
　13.10　热冲压成形的模具设计 594
　13.11　热成形零件的性能检测 599
　　13.11.1　准静态力学性能和高速拉伸性能 599
　　13.11.2　热冲压成形钢板的尖冷弯 601
　　13.11.3　热冲压成形质量的检测和构件功能的检测 603
　13.12　热冲压成形零件的后续加工 604
　13.13　热冲压成形的热点 606
　参考文献 615

第14 章　汽车轻量化和其他先进成形技术 622
　14.1　液压成形 622
　　14.1.1　概述 622
　　14.1.2　板料的液压成形原理和方法 622
　　14.1.3　板料液压成形的形式 623
　　14.1.4　板料液压成形的应用 625
　14.2　内高压成形 627
　　14.2.1　内高压成形的原理和方法 627
　　14.2.2　内高压成形的装备 630
　　14.2.3　内高压成形的模具设计 634
　　14.2.4　内高压成形的用材和性能要求 639
　　14.2.5　内高压成形零件的检测和评价 642
　　14.2.6　内高压成形的典型应用 643
　14.3　辊压成形 644
　　14.3.1　辊压成形工艺概述 644
　　14.3.2　高强钢辊压成形材料特性 645
　　14.3.3　高强钢辊压成形工艺设计及装备 646
　　14.3.4　高强钢辊压成形零件的检测与评价 649
　　14.3.5　高强钢辊压成形件在汽车轻量化的应用 651
　　14.3.6　辊压成形前沿技术 652
　14.4　激光拼焊板冲压成形技术 654
　　14.4.1　概述 654
　　14.4.2　激光拼焊的原理和方法 654
　　14.4.3　激光拼焊焊缝组织和性能 655
　　14.4.4　影响激光拼焊板质量的因素 656
　　14.4.5　激光拼焊板在汽车工业中的应用 658
　　14.4.6　激光拼焊板冲压成形基本原理 658
　　14.4.7　激光拼焊板冲压成形优势 659
　　14.4.8　激光拼焊板冲压成形性及其模具设计制造关键技术 660
　　14.4.9　激光拼焊板冲压件可制造性分析 663
　　14.4.10　激光拼焊板零件优化设计 665
　　14.4.11　激光拼焊板冲压件在车身中的典型应用 667
　14.5　汽车用变厚板（VRB） 670
　　14.5.1　概述 670
　　14.5.2　变厚板轧制技术基本原理 671
　　14.5.3　变厚板应用关键技术 674
　　14.5.4　变厚板的检测评价 677
　　14.5.5　变厚度钢板在汽车行业的典型应用 679
　参考文献 681