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摘要：气候变化、能源和环境问题是人类社会共同面对的长期问题。发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，是响应国家“节能优先，绿色低碳，立足国内，创新驱动”的四大能源发展战略。轻量化和电动化是支持国家能源发展战略的具体体现；轻量化可以从模块化，集成设计，新材料使用，连接技术等多种方式来实现；电动化就是采用纯电动驱动汽车的一种形式。
关键词：轻量化；电动化；新材料；集成设计
1.背景
美国洛杉矶光化学烟雾、中东局势动乱、北京阴霾天气等一些事件对环境保护、全球化石能源资源日益紧张引发的国家战略及传统汽车尾气排放带来的日趋严重的环境污染问题，促使世界各国对汽车产业的发展纷纷转向新能源汽车开发。《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》中指出以纯电动驱动为我国汽车工业转型的主要战略取向，加快培育和发展新能源汽车产业，重点发展纯电动汽车、插电式混合动力汽车产业化。《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》已发布，国家逐渐由补贴引导转变为政策引导，进一步大力推动纯电动汽车的大规模产业化。
2.纯电动轿车轻量化开发架构构建
S51EV是某公司全新开发的一款小型纯电动汽车，旨在开发纯电动专业平台和轻量化全铝骨架平台车身，体现纯电动以动力电池、乘员为中心的布置，全面提升整车轻量化水平、电动化平台的核心技术和整车性能指标，形成全新轻量化全铝骨架车身和电动汽车技术平台。在设计验证过程中，主要针对整车平台布置、车身结构设计与工艺、整车安全及电池系统安全等系统开发进行更深层次研究；努力解决全新纯电动汽车平台下的新轻量化全铝骨架车身的材料、结构、性能匹配难题。
轻量化车身可采用全铝型材为骨架车身，铝板为封板承担密封和功能件的安装。采用高强度镁铝合金，复杂断面，挤压成型，3D空间精密弯曲，激光焊接而成。全铝型材骨架车身平台可便捷扩展车身长度和宽度，扩展了平台的范围，有利于平台车型和衍生车型的开发。S51EV采用全铝型材为骨架车身和复合材料外覆盖件，车身与电池包一体化的设计结构，提前规划电池包布置区域，模块化设计。便于电池模组的布置和优化。下面从整车集成技术、轻量化全铝骨架车身、焊接工艺等几个方面来初探整车轻量化。
1、整车集成技术（搭载轻量化全铝骨架平台车身）
S51EV整体布置以动力电池、乘员为中心展开，结合构想的轻量化全铝骨架平台及电池包一体化车身，充分考虑前舱、前端模块、前后悬架系统、驱动模块等主要模块的布置和可扩展的安全裕度。性能充分考虑新材料、新结构的特点，合理布置设计结构，合理构造受力零部件，围绕力的传递路径和车辆的实际空间，优化车身结构实现车辆碰撞安全、密封、NVH、整车重量等整车性能目标。平台化设计主要分为九个模块：前端模块、前舱模块、前排人机模块、电池模块、后排人机模块、后端模块、前悬架模块、后悬架模块、后驱动模块，通过这九个模块的变化，实现平台化开发。平台化模块示意图（图1）：
S51EV是全新纯电动平台的首款车型，为2门2座车型，设计布置同时考虑2门4座人体布置，根据平台规划和轻量化全铝骨架平台及电池包一体化车身，电池包布置在底盘下，由四个封闭型材零部件形成的框架结构对电池包进行保护（见图2）。
2、轻量化全铝骨架平台车身（复合材料外覆盖件）
汽车轻量化是汽车产品一直追求的目标。S51EV轻量化全铝骨架平台车身（新材料、新工艺），车身框架电池包结构一体化设计。车身重量较传统车身减重约40%，满足整车碰撞和其他性能要求，力求五星碰撞安全设计和NVH目标达成。受力路径分析和典型断面设计如下：
（1）轻量化全铝骨架平台车身的整体构想：
a）根据受力路径，简化受力框架模型，设计车辆典型断面；主要承力部位由封闭的6系铝型材件组成车身骨架，其余的部分根据总布置的要求，采用5系轻薄铝板件作为封板结构设计满足车辆的功能要求；
b）采用轻量化全铝骨架平台车身，外覆盖件为单纯的外观功能件，不承受力需有必要的抗凹性，外覆盖件可采用复合材料安装在骨架车身上。运动件如：前舱盖、后背门等都采用复合材料件。见图10红色件外覆盖件均为复合材料件。
c）前端模块，根据受力路径图，上部的力量传递由前横梁，大灯安装支架等件组成，下部由副车架来进行力量传递；前端模块，从结构、材料、重量、性能（外观间隙、工装精度等）、成本和管理效率等多角度综合比较，提出使用前端模块的结构设计；前端模块继承了左右大灯安装支架、散热器安装点、机罩锁等功能件，CAE分析优化结构，减轻重量。
（2）轻量化全铝骨架平台车身结构设计与碰撞安全：
轻量化全铝骨架车身铝型材、铝板件、少量钢板冲压件、压铆/拉铆标准件以及铝制压铆套管组成；车身总成采用的连结方式：自动激光焊、 MIG焊（铝型材与铝板材）、无铆连接（车门洞止口铝板冲压件）；螺接或铆接（钢板件与型材）；拉铆/压铆（标准件以及套筒）；
轻量化全铝骨架车身采用全铝型材骨架，“3R-BODY”环状车身结构设计理念，前舱纵梁和前保横梁通过CAE仿真模拟方法，采用不同截面和料厚；有效利用前舱内溃缩吸能空间，在碰撞的初始吸收掉尽可能多的碰撞能量，减少乘员舱所承受的碰撞力度，保护乘员。
轻量化全铝骨架车身经过设计工程师结构搭建、前保横梁、前舱纵梁、吸能盒等零部件多轮结构、材料分析再优化后，得到如下比较满意的分析结果，车门能正常开启，B柱下加速峰值合理；门槛的变形量<7mm，确保乘员安全和乘员相关考察指标，电池防护较为理想。
（3）全铝骨架平台车身轻量化：
轻量化全铝骨架车身、复合材料外覆盖件和背门、前端集成模块、铝制副车架等新材料、新结构、新工艺，持续通过选材、料厚和结构拓扑CAE优化降低整车重量。轻量化全铝骨架车身较同级的传统材料车身扭转刚度，弯曲刚度约有30%的提升，车身扭转刚度可达到近14000Nm/deg，较传统材料车身约40%减重，轻量化系数估计可到3.0。满足整车重量目标，基本实现了全新纯电动平台的全铝骨架平台车身的设想。
3、采用铝合金型材车身骨架和全自动焊接技术，简化生产、工艺过程，材料循环回收利用
S51EV采用轻量化全铝骨架车身，铝氧化物有较强的抗腐蚀性，主机厂工艺可缩为焊接（焊接处PVC密封）和总装两大工艺，VOC排放仅为传统车的9%，制造能耗仅为传统车的20%，投资约为传统车的 ；大大减少了设备投资、厂房建设的时间和费用；铝型材采用自动化焊接，车身95%以上采用铝合金，材料利用率可达95%，提升了零部件的精度和效率，有效降低了产品的生产成本。S51EV采用独创轻量化全铝骨架车身和复合材料的外覆盖件可100%循环回收利用。
铝合金激光自动焊接速度快，不需要焊材填充，可达1.5m/min，约为人工MIG焊的5倍，自动MIG焊的3.5倍；制造成本更低，在S51EV上应用，可节省焊丝约50m/车；焊缝强度提高4%，线载荷可达到186N/mm，高于MIG焊（172N/mm）；热输入量小，有效降低车身焊接热变形；焊缝美观，焊接后不需要进行额外处理。
参考文献：
[1]徐维新，等.现代汽车新技术[M].上海：上海科学技术出版社，1999.
[2]刘静安，谢水生.铝合金材料技术开发与应用[M].北京：冶金工业出版社，2011.
[3]徐宏兵，葛如海，王怀.大客车车身骨架轻量化改进设计[J].江苏大学学报（自然科学版），2003，6.
[4]陈茹雯.某军车车身有限元分析及拓扑优化[D].南京理工大学，2004，南京.
[5]李辉.基于车身强度準则法的结构轻量化设计与研究[D].武汉理工大学，2010，武汉.
关键词：轻量化；电动化；新材料；集成设计
1.背景
美国洛杉矶光化学烟雾、中东局势动乱、北京阴霾天气等一些事件对环境保护、全球化石能源资源日益紧张引发的国家战略及传统汽车尾气排放带来的日趋严重的环境污染问题，促使世界各国对汽车产业的发展纷纷转向新能源汽车开发。《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》中指出以纯电动驱动为我国汽车工业转型的主要战略取向，加快培育和发展新能源汽车产业，重点发展纯电动汽车、插电式混合动力汽车产业化。《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》已发布，国家逐渐由补贴引导转变为政策引导，进一步大力推动纯电动汽车的大规模产业化。
2.纯电动轿车轻量化开发架构构建
S51EV是某公司全新开发的一款小型纯电动汽车，旨在开发纯电动专业平台和轻量化全铝骨架平台车身，体现纯电动以动力电池、乘员为中心的布置，全面提升整车轻量化水平、电动化平台的核心技术和整车性能指标，形成全新轻量化全铝骨架车身和电动汽车技术平台。在设计验证过程中，主要针对整车平台布置、车身结构设计与工艺、整车安全及电池系统安全等系统开发进行更深层次研究；努力解决全新纯电动汽车平台下的新轻量化全铝骨架车身的材料、结构、性能匹配难题。
轻量化车身可采用全铝型材为骨架车身，铝板为封板承担密封和功能件的安装。采用高强度镁铝合金，复杂断面，挤压成型，3D空间精密弯曲，激光焊接而成。全铝型材骨架车身平台可便捷扩展车身长度和宽度，扩展了平台的范围，有利于平台车型和衍生车型的开发。S51EV采用全铝型材为骨架车身和复合材料外覆盖件，车身与电池包一体化的设计结构，提前规划电池包布置区域，模块化设计。便于电池模组的布置和优化。下面从整车集成技术、轻量化全铝骨架车身、焊接工艺等几个方面来初探整车轻量化。
1、整车集成技术（搭载轻量化全铝骨架平台车身）
S51EV整体布置以动力电池、乘员为中心展开，结合构想的轻量化全铝骨架平台及电池包一体化车身，充分考虑前舱、前端模块、前后悬架系统、驱动模块等主要模块的布置和可扩展的安全裕度。性能充分考虑新材料、新结构的特点，合理布置设计结构，合理构造受力零部件，围绕力的传递路径和车辆的实际空间，优化车身结构实现车辆碰撞安全、密封、NVH、整车重量等整车性能目标。平台化设计主要分为九个模块：前端模块、前舱模块、前排人机模块、电池模块、后排人机模块、后端模块、前悬架模块、后悬架模块、后驱动模块，通过这九个模块的变化，实现平台化开发。平台化模块示意图（图1）：
S51EV是全新纯电动平台的首款车型，为2门2座车型，设计布置同时考虑2门4座人体布置，根据平台规划和轻量化全铝骨架平台及电池包一体化车身，电池包布置在底盘下，由四个封闭型材零部件形成的框架结构对电池包进行保护（见图2）。
2、轻量化全铝骨架平台车身（复合材料外覆盖件）
汽车轻量化是汽车产品一直追求的目标。S51EV轻量化全铝骨架平台车身（新材料、新工艺），车身框架电池包结构一体化设计。车身重量较传统车身减重约40%，满足整车碰撞和其他性能要求，力求五星碰撞安全设计和NVH目标达成。受力路径分析和典型断面设计如下：
（1）轻量化全铝骨架平台车身的整体构想：
a）根据受力路径，简化受力框架模型，设计车辆典型断面；主要承力部位由封闭的6系铝型材件组成车身骨架，其余的部分根据总布置的要求，采用5系轻薄铝板件作为封板结构设计满足车辆的功能要求；
b）采用轻量化全铝骨架平台车身，外覆盖件为单纯的外观功能件，不承受力需有必要的抗凹性，外覆盖件可采用复合材料安装在骨架车身上。运动件如：前舱盖、后背门等都采用复合材料件。见图10红色件外覆盖件均为复合材料件。
c）前端模块，根据受力路径图，上部的力量传递由前横梁，大灯安装支架等件组成，下部由副车架来进行力量传递；前端模块，从结构、材料、重量、性能（外观间隙、工装精度等）、成本和管理效率等多角度综合比较，提出使用前端模块的结构设计；前端模块继承了左右大灯安装支架、散热器安装点、机罩锁等功能件，CAE分析优化结构，减轻重量。
（2）轻量化全铝骨架平台车身结构设计与碰撞安全：
轻量化全铝骨架车身铝型材、铝板件、少量钢板冲压件、压铆/拉铆标准件以及铝制压铆套管组成；车身总成采用的连结方式：自动激光焊、 MIG焊（铝型材与铝板材）、无铆连接（车门洞止口铝板冲压件）；螺接或铆接（钢板件与型材）；拉铆/压铆（标准件以及套筒）；
轻量化全铝骨架车身采用全铝型材骨架，“3R-BODY”环状车身结构设计理念，前舱纵梁和前保横梁通过CAE仿真模拟方法，采用不同截面和料厚；有效利用前舱内溃缩吸能空间，在碰撞的初始吸收掉尽可能多的碰撞能量，减少乘员舱所承受的碰撞力度，保护乘员。
轻量化全铝骨架车身经过设计工程师结构搭建、前保横梁、前舱纵梁、吸能盒等零部件多轮结构、材料分析再优化后，得到如下比较满意的分析结果，车门能正常开启，B柱下加速峰值合理；门槛的变形量<7mm，确保乘员安全和乘员相关考察指标，电池防护较为理想。
（3）全铝骨架平台车身轻量化：
轻量化全铝骨架车身、复合材料外覆盖件和背门、前端集成模块、铝制副车架等新材料、新结构、新工艺，持续通过选材、料厚和结构拓扑CAE优化降低整车重量。轻量化全铝骨架车身较同级的传统材料车身扭转刚度，弯曲刚度约有30%的提升，车身扭转刚度可达到近14000Nm/deg，较传统材料车身约40%减重，轻量化系数估计可到3.0。满足整车重量目标，基本实现了全新纯电动平台的全铝骨架平台车身的设想。
3、采用铝合金型材车身骨架和全自动焊接技术，简化生产、工艺过程，材料循环回收利用
S51EV采用轻量化全铝骨架车身，铝氧化物有较强的抗腐蚀性，主机厂工艺可缩为焊接（焊接处PVC密封）和总装两大工艺，VOC排放仅为传统车的9%，制造能耗仅为传统车的20%，投资约为传统车的 ；大大减少了设备投资、厂房建设的时间和费用；铝型材采用自动化焊接，车身95%以上采用铝合金，材料利用率可达95%，提升了零部件的精度和效率，有效降低了产品的生产成本。S51EV采用独创轻量化全铝骨架车身和复合材料的外覆盖件可100%循环回收利用。
铝合金激光自动焊接速度快，不需要焊材填充，可达1.5m/min，约为人工MIG焊的5倍，自动MIG焊的3.5倍；制造成本更低，在S51EV上应用，可节省焊丝约50m/车；焊缝强度提高4%，线载荷可达到186N/mm，高于MIG焊（172N/mm）；热输入量小，有效降低车身焊接热变形；焊缝美观，焊接后不需要进行额外处理。
参考文献：
[1]徐维新，等.现代汽车新技术[M].上海：上海科学技术出版社，1999.
[2]刘静安，谢水生.铝合金材料技术开发与应用[M].北京：冶金工业出版社，2011.
[3]徐宏兵，葛如海，王怀.大客车车身骨架轻量化改进设计[J].江苏大学学报（自然科学版），2003，6.
[4]陈茹雯.某军车车身有限元分析及拓扑优化[D].南京理工大学，2004，南京.
[5]李辉.基于车身强度準则法的结构轻量化设计与研究[D].武汉理工大学，2010，武汉.