节能与环保是汽车发展的永恒主题,随着全球能源、环境、资源等方面问题的加剧,这个主题显得更加突出。轻量化是汽车节能与环保的重要途径。理论和实践均表明,汽车的能耗与其重量近似成正比。轿车作为汽车家族中的重要一员,其轻量化意义尤为重大,因为其占有率超过汽车总量的三分之二。近些年来,汽车动力电动化和汽车驾驶智能化成为重要趋势,这些前沿技术的发展也期待汽车轻量化技术的进一步提升。随着新材料的不断发展和应用新需求的不断出现,轻量化不断面临一些新的问题,尤其国内汽车正向开发技术还处于成长和成熟阶段,有不少轻量化的理论和实践问题亟待进一步探讨和深入分析,以寻找更好解决办法。本论文正是为了满足这一汽车关键共性技术的发展需要开展了轿车轻量化领域的系统深入研究。首先,提出了面向轻量化设计及可靠性分析的轿车关键件工况模拟载荷的计算理论与方法,并构建了面向轿车关键件的柔性共享的工况模拟载荷计算平台;然后,重点以基于轻量化材料应用的结构创新和优化为主线,开展悬架、动力传动系统和车身关键件的结构轻量化设计及可靠性分析的理论和方法研究。本论文的主要研究方法及结果包括如下几个方面:(1)针对汽车部件的正向开发流程,提出了轿车关键件工况模拟载荷计算方法,为保证给定可靠性条件下轿车关键件的轻量化设计和优化奠定基础。该方法采用基于等效应变的断裂失效准测、基于等效应力的塑性损伤准则和基于SN曲线与线性断裂力学的疲劳寿命预测方法逐步判别工况模拟载荷计算的有效性,既满足计算正确性的要求,又最大限度地降低计算工作量。在此基础上,构建了面向轿车关键件的柔性共享工况模拟载荷仿真平台,为不同类型轿车关键件轻量化设计及可靠性分析中的工况模拟载荷提取提供工具。该平台具备参数化轮胎模型、初始条件和边界条件数据库、测试法规中的强化路面仿真模型等,并可以依据需要按不同的强化试验场建模。该平台还可以兼顾显式和隐式两种仿真方法,动态仿真建立在显式和隐式联合仿真的基础上,结合了两种动态分析的特点和优势,并对隐式分析的线性部分采用了子模型技术来压缩模型大小以减少仿真所需资源。提出了联合仿真中基于轮心位移判据的隐式计算时间步长的确定准则,既保证联合仿真的正确性又最大限度节约计算时间。联合仿真克服了整车多体动态仿真的常见假设,如刚体及线性假设,从而提高了仿真计算精度。(2)综合考虑结构变形的非线性特征对部件载荷水平的影响,建立了基于载荷循环迭代的悬架关键件的轻量化优化方法与流程,该方法建立在反映实际载荷特征的有限元模型上,并包含主要非线性影响因素如轮胎的大变形及其与路面的接触摩擦等,从而保证了计算有效性和精度。在此基础上,提出了悬架锻压件结构轻量化参数化优化方法,其中包括结构轻量化参数化模型、轻量化设计流程与基于质量灵敏度和应力灵敏度的寻优策略等。基于该设计流程与寻优策略建立了悬架摆臂和转向节的轻量化参数优化模型和方法,并具体应用到摆臂和转向节的轻量化优化设计中,实现了显著的轻量化效果。通过与拓扑优化结果的比较,展示了该优化流程及相关方法、准则的特点和实用性。提出了基于载荷一致性及载荷循环迭代的悬架关键件可靠性分析方法,并应用到摆臂的疲劳可靠性分析中。通过采取与验证载荷一致的整车强化路面谱,克服了传统设计中设计载荷与验证载荷脱节的问题,并通过载荷循环迭代来保证结果的收敛性。(3)对动力传动链开展系统分析,提炼出了其轻量化条件下影响可靠性的关键环节。提出了空心化、内压增强的传动半轴轻量化方法。该方法在等应力的条件下,通过空心化复合结构设计,并采取内压增强方式提升轴的稳定极限,从而实现更高水平的结构轻量化。在保证可靠性的同时,大幅减少轴的质量,部分方案可以减少3/4左右的质量,轻量化效果明显。针对动力系统强化试验流程,在动力部分的强化试验分析中,提出了基于材料性质、载荷、关键尺寸变化等因素的部件通过强化疲劳试验概率的理论及计算方法,改进了传统疲劳设计中基于平均疲劳强度的疲劳寿命计算方法。通过分析电机主轴的结构特征及疲劳失效模式,揭示了电机主轴装配误差对疲劳寿命的影响机理。分析了影响减速箱可靠性的密封问题,提出减速箱密封性能与刚度及加工精度的关联理论,并据此建立CAE分析模型,依据关键参数的变化,预测密封间隙的变化特征,为箱体的密封设计提供定量依据;分析了油封的密封性及关键参数对密封功能的影响,提炼并改善了密封件功能可靠性设计方法。与目前国际标准中建议的密封件设计方法相比,该设计方法更全面地体现了密封件的功能可靠性设计要求。(4)针对典型高强度钢车身骨架的受力特点提出了基于波纹板加强结构复合梁的轻量化设计方法,并提出了波纹板不同结构特征参数的设计原则。通过仿真计算与―十字平板‖加强结构和铝合金泡沫加强结构复合梁的性能进行了对比,揭示了不同情况下不同加强结构方式的性能特点;波纹板加强结构复合梁和其他加强结构复合梁相比,在同等质量下具有更大的承载能力,并通过试验验证了该轻量化结构设计的优越性。通过车身常用盒形骨架梁在极限载荷下的变形模式与失效研究,对车身骨架梁以横向、扭转载荷为基础比较了用于极限载荷分析的三种方法的特点,揭示了基于弹性及理想塑性材料模型的极限载荷确定方法在精度及评估客观性上更好。以横向和扭转载荷为基础,比较了不同焊接结构疲劳分析方法及特点,揭示基于这几种方法,尤其是在复杂焊接结构下的局限性及各自特点,线性断裂力学法更适合复杂结构的分析。以纵向失稳分析为基础,揭示了基于设计公差的不同缺陷组合对盒型梁最低失稳力的影响。在同一公差下,不同缺陷组合所导致的失稳力差别可达到1/5,考虑与不考虑公差的分析结果相差约1/3。上述研究成果为在汽车正向设计中更多更好应用不同类型的高强度钢板实现轻量化设计打下了理论和方法基础。(5)开展了整车强化试验载荷仿真研究。基于柔性共享的轿车关键件工况模拟载荷计算平台,建立了完全基于变形体及非线性特征下的某C级仿真模型,并开展联合仿真模拟。该轻量化样车骨架为高强度钢材料,悬架关键件和四门两盖主体为铝合金材料。整车模型包含所有必要的非线性因素,如整车环境下制动工况的模拟等。基于该样车设计了悬架K&C特性静态试验和强化路面动态可靠性试验方案并开展了试验研究,获得了一套反映整车和关键件的运动和动力特征的关键参数,如整车速度、加速度、摆臂应变等。静态和动态试验数据与相应的仿真数据比较验证了整车仿真建模的有效性和准确性。基于悬架部件的应变数据,通过雨流计数法与线性疲劳损伤理论,把强化路面上悬架所受的疲劳应力转化为等效疲劳应力,建立了轮胎接地点处相对于应变测量点的载荷模型,把悬架在强化试验场内所受的疲劳载荷转化为作用在轮胎接地点的等效疲劳应力,为悬架在强化路面上的疲劳分析提供有效参考载荷。