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[摘 要]能源以及环境问题使新能源汽车有了很大的发展空间 ，电动汽车已成为未来的发展趋势之一。电动汽车受电池容量限制及续使里程的要求，因此其轻量化设计非常重要。本文论述了汽车轻量化的研究方法、研究的技术设计，以及汽车轻量化的发展趋势。
[关键词]电动汽车； 轻量化；设计；发展趋势
中图分类号：TS219 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）32-0104-01
[Abstract]energy and environmental problems led the development of new energy vehicles had the very big space， the electric car has become one of the development trend of the future.Electric vehicle battery capacity restrictions and requirements to make the distance its lightweight design is very important.This paper discusses the automobile lightweight methods， the technical difficulties， and the development trend of automotive lightweighting.
[Key words]electric cars；Lightweight；Design；The development trend
电动汽车轻量化作为汽车结构优化技术的一部分，在节能环保以及改善汽车性能等方面均起到了重要的作用。电动汽车轻量化除了为我国的石油安全、环境保护、节能减排提供强大支持，还将影响我国汽车工业的格局及其整体技术水平。
1.汽车车身结构轻量化研究方法
汽车车身结构的轻量化设计是应用优化设计方法，在保证车身结构性能的前提下，提高材料的利用率，减少冗余的材料，从而达到车身结构轻量化的目的。根据设计对象的不同，结构优化按设计变量的类型划分为结构尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化4个层次。
1.1 尺寸优化
尺寸优化是指在给定结构的类型、材料、布局和几何外形的前提下，优化各个组成构件的截面尺寸，使结构最轻或最经济，例如对节点位置已定的桁架结构求各梁的最优截面尺寸；对几何形状已定的平面板结构求各部位的最佳厚度等。
1.2 形状优化
形状优化是指在结构的类型、材料、布局已定的前提下，对结构的几何形状进行优化，例如对布局已定的桁架的节点位置进行优化；对连续体的边界形状进行优化；对实体结构内部开孔的尺寸、形状进行优化等。
形状与尺寸优化是四种优化技术中最早发展起来且最容易实现的，目前比较成熟，很多商业有限元软件都有该模块，使用起来比较方便，可进行静力学（如质量、应力、变形等）及动力学（如固有频率及振型）优化。
1.3 形貌优化
形貌优化是一种形状最佳化的方法，即在板形结构中寻找最优的加强筋分布的概念设计方法，用于设计薄壁结构的强化压痕，在减轻结构质量的同时满足强度、频率等要求。形貌优化不删除材料，而是在可设计区域中根据节点的扰动生成加强筋。
1.4 拓扑优化
拓扑优化方法是在一个给定的空间区域内，依据已知的外载及支承等约束条件，寻找承受单载荷或多载荷物体的最佳结构材料分配方案，从而使结构的刚度达到最大或使输出位移、应力等均达到规定要求的一种结构设计方法，其是有限元分析和数学优化方法的有机结合。
2.汽车车身结构轻量化设计
由于汽车车身结构轻量化设计起步时间不长，还缺乏经验，所以车身结构轻量化设计还存在以下技术难点。
（1）车身结构开发工作主要还是依赖经验和解剖先进车身结构进行参照性设计，更多的精力放在解决样车试验中出现的问题上，未能真正做到设计与分析并行。
（2）有限元分析法主要应用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、振动、噪声等方面的模拟分析还有待于积累更多的经验；对车身结构或部件的各项性能指标进行系统分析及优化的实例都还处于探索阶段。
（3）在我国汽车工业领域，特别是近几年，结构拓扑优化理论研究得到了快速发展，然而由于应用难度较大，真正用于实际设计工作中的相对来说较少。
（4）目前的车身结构优化一般局限于单目标优化设计模式，事实上采用这种模式常常会对多个重要的总体性能指标难以取舍和兼顾，建立整车结构多目标、多工况优化模型是今后的研究方向。
（5）目前有关车身结构的优化设计大多集中在整体结构的尺寸优化上，通过调整尺寸大小达到优化的目的。对某些设计难度较大的局部复杂结构进行拓扑优化设计研究，确定其最佳的结构构型，然后在此基础上对此构型做进一步的尺寸优化，这种将高层次的结构拓扑优化技术与尺寸优化技术相结合，进行车身结构优化设计的应用还不十分成熟。
（6）在车身结构建模方面，完全参数化的车身结构模型更有利于进行结构性能的灵敏度分析和整体优化，现有的分析基本上都是基于部分参数化的车身结构模型。
3.电动汽车轻量化的优化
轻量化技术推动着汽车整体技术的发展。电动汽车轻量化是一项复杂的系统工程，需要多个部门的协调合作才能得以实现，这需要汽车生产企业中的各个部门提高自己相关的技术水平，以保证各项工作能够顺利完成。对于电动汽车生产企业，掌握电动汽车轻量化技术，就等于在未来的电动汽车市场中占有了主动地位，将比其他企业具有更大的竞争力。而其他企业若想从市场中分得更多的份额，被市场及用户认同，也必须要掌握相应的轻量化技术，从而使整个电动汽车行业形成类似于“多米若骨牌”的效应，推动电动汽车设计、生产、制造技术的整体进步。汽车材料轻量化使超高强度鋼、高强度钢、铝合金、镁合金、复合材料、工程塑料等材料的使用比例增加，而传统钢铁材料的使用比例下降。
各种工程结构分析能力和手段的不断发展完善，数学寻优技术的提高，使得结构优化已成为计算力学中最活跃的一个分支。结构优化研究的范围不断扩大，从研究层次上看，已经从尺寸优化、形状优化向材料选择、拓扑优化以及三者互补优化方向发展；从问题的复杂程度看，已经从简单的桁架结构设计发展到解决梁、板、壳等多种复杂元素的结构设计问题，并由单目标优化转向协同优化、多目标优化和多学科优化。
4.结语
电动汽车在电池箱、电动机等总成的布置上与传统车辆相比还存在较大差异，而目前大多数电动汽车都是由传统车型改造而来的，其结构难免存在不合理之处。在未来的电动车结构发展中，应在概念设计阶段即采用拓扑优化等方法，以设计出完全符合电动汽车结构特点的全新车身结构，而不是仅仅在原有车型的基础上进行改进。虽然当今汽车都在向着轻量化的目标靠近，但由于受到材料学科和制造工艺的影响，人类对汽车材料的了解和认识受到了一定的限制，而未来轻量化汽车新结构与新材料的研发将会同步并行，以实现新结构、新材料以及新制造工艺的有机结合。
参考文献
[1] 陈清泉，孙立清.电动汽车的现状和发展趋势[J].科技导报，2005，23（4）：24-28.
[2] 苏楚奇.电动汽车轻量化技术研究[J].北京汽车，2004（1）：18-22.
[关键词]电动汽车； 轻量化；设计；发展趋势
中图分类号：TS219 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）32-0104-01
[Abstract]energy and environmental problems led the development of new energy vehicles had the very big space， the electric car has become one of the development trend of the future.Electric vehicle battery capacity restrictions and requirements to make the distance its lightweight design is very important.This paper discusses the automobile lightweight methods， the technical difficulties， and the development trend of automotive lightweighting.
[Key words]electric cars；Lightweight；Design；The development trend
电动汽车轻量化作为汽车结构优化技术的一部分，在节能环保以及改善汽车性能等方面均起到了重要的作用。电动汽车轻量化除了为我国的石油安全、环境保护、节能减排提供强大支持，还将影响我国汽车工业的格局及其整体技术水平。
1.汽车车身结构轻量化研究方法
汽车车身结构的轻量化设计是应用优化设计方法，在保证车身结构性能的前提下，提高材料的利用率，减少冗余的材料，从而达到车身结构轻量化的目的。根据设计对象的不同，结构优化按设计变量的类型划分为结构尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化4个层次。
1.1 尺寸优化
尺寸优化是指在给定结构的类型、材料、布局和几何外形的前提下，优化各个组成构件的截面尺寸，使结构最轻或最经济，例如对节点位置已定的桁架结构求各梁的最优截面尺寸；对几何形状已定的平面板结构求各部位的最佳厚度等。
1.2 形状优化
形状优化是指在结构的类型、材料、布局已定的前提下，对结构的几何形状进行优化，例如对布局已定的桁架的节点位置进行优化；对连续体的边界形状进行优化；对实体结构内部开孔的尺寸、形状进行优化等。
形状与尺寸优化是四种优化技术中最早发展起来且最容易实现的，目前比较成熟，很多商业有限元软件都有该模块，使用起来比较方便，可进行静力学（如质量、应力、变形等）及动力学（如固有频率及振型）优化。
1.3 形貌优化
形貌优化是一种形状最佳化的方法，即在板形结构中寻找最优的加强筋分布的概念设计方法，用于设计薄壁结构的强化压痕，在减轻结构质量的同时满足强度、频率等要求。形貌优化不删除材料，而是在可设计区域中根据节点的扰动生成加强筋。
1.4 拓扑优化
拓扑优化方法是在一个给定的空间区域内，依据已知的外载及支承等约束条件，寻找承受单载荷或多载荷物体的最佳结构材料分配方案，从而使结构的刚度达到最大或使输出位移、应力等均达到规定要求的一种结构设计方法，其是有限元分析和数学优化方法的有机结合。
2.汽车车身结构轻量化设计
由于汽车车身结构轻量化设计起步时间不长，还缺乏经验，所以车身结构轻量化设计还存在以下技术难点。
（1）车身结构开发工作主要还是依赖经验和解剖先进车身结构进行参照性设计，更多的精力放在解决样车试验中出现的问题上，未能真正做到设计与分析并行。
（2）有限元分析法主要应用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、振动、噪声等方面的模拟分析还有待于积累更多的经验；对车身结构或部件的各项性能指标进行系统分析及优化的实例都还处于探索阶段。
（3）在我国汽车工业领域，特别是近几年，结构拓扑优化理论研究得到了快速发展，然而由于应用难度较大，真正用于实际设计工作中的相对来说较少。
（4）目前的车身结构优化一般局限于单目标优化设计模式，事实上采用这种模式常常会对多个重要的总体性能指标难以取舍和兼顾，建立整车结构多目标、多工况优化模型是今后的研究方向。
（5）目前有关车身结构的优化设计大多集中在整体结构的尺寸优化上，通过调整尺寸大小达到优化的目的。对某些设计难度较大的局部复杂结构进行拓扑优化设计研究，确定其最佳的结构构型，然后在此基础上对此构型做进一步的尺寸优化，这种将高层次的结构拓扑优化技术与尺寸优化技术相结合，进行车身结构优化设计的应用还不十分成熟。
（6）在车身结构建模方面，完全参数化的车身结构模型更有利于进行结构性能的灵敏度分析和整体优化，现有的分析基本上都是基于部分参数化的车身结构模型。
3.电动汽车轻量化的优化
轻量化技术推动着汽车整体技术的发展。电动汽车轻量化是一项复杂的系统工程，需要多个部门的协调合作才能得以实现，这需要汽车生产企业中的各个部门提高自己相关的技术水平，以保证各项工作能够顺利完成。对于电动汽车生产企业，掌握电动汽车轻量化技术，就等于在未来的电动汽车市场中占有了主动地位，将比其他企业具有更大的竞争力。而其他企业若想从市场中分得更多的份额，被市场及用户认同，也必须要掌握相应的轻量化技术，从而使整个电动汽车行业形成类似于“多米若骨牌”的效应，推动电动汽车设计、生产、制造技术的整体进步。汽车材料轻量化使超高强度鋼、高强度钢、铝合金、镁合金、复合材料、工程塑料等材料的使用比例增加，而传统钢铁材料的使用比例下降。
各种工程结构分析能力和手段的不断发展完善，数学寻优技术的提高，使得结构优化已成为计算力学中最活跃的一个分支。结构优化研究的范围不断扩大，从研究层次上看，已经从尺寸优化、形状优化向材料选择、拓扑优化以及三者互补优化方向发展；从问题的复杂程度看，已经从简单的桁架结构设计发展到解决梁、板、壳等多种复杂元素的结构设计问题，并由单目标优化转向协同优化、多目标优化和多学科优化。
4.结语
电动汽车在电池箱、电动机等总成的布置上与传统车辆相比还存在较大差异，而目前大多数电动汽车都是由传统车型改造而来的，其结构难免存在不合理之处。在未来的电动车结构发展中，应在概念设计阶段即采用拓扑优化等方法，以设计出完全符合电动汽车结构特点的全新车身结构，而不是仅仅在原有车型的基础上进行改进。虽然当今汽车都在向着轻量化的目标靠近，但由于受到材料学科和制造工艺的影响，人类对汽车材料的了解和认识受到了一定的限制，而未来轻量化汽车新结构与新材料的研发将会同步并行，以实现新结构、新材料以及新制造工艺的有机结合。
参考文献
[1] 陈清泉，孙立清.电动汽车的现状和发展趋势[J].科技导报，2005，23（4）：24-28.
[2] 苏楚奇.电动汽车轻量化技术研究[J].北京汽车，2004（1）：18-22.