汽車輕量化導論

第1 章　汽車工業(yè)發(fā)展呼喚汽車輕量化 1
　1.1　汽車工業(yè)發(fā)展概況 1
　1.2　節(jié)能減排是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢 5
　1.3　汽車輕量化意義重大 6
　1.4　世界各國十分重視節(jié)能減排和輕量化 12
　1.5　世界各國汽車輕量化的研發(fā)現(xiàn)狀和進展 15
　　1.5.1　美國輕量化研究現(xiàn)狀和研發(fā)方向 17
　　1.5.2　加拿大輕量化研究現(xiàn)狀和研發(fā)方向 20
　　1.5.3　日本輕量化研究現(xiàn)狀和研發(fā)方向 21
　　1.5.4　德國輕量化研究現(xiàn)狀和研發(fā)方向 21
　1.6　輕量化必須保證汽車的安全性和可靠性 22
　1.7　發(fā)展新能源汽車 23
　1.8　輕量化的LCA 評估和優(yōu)化設計 26
　1.9　商用車輕量化 29
　1.10　倡導主機廠和汽車零部件廠的生態(tài)平衡關系 29
　參考文獻 30

第2 章　汽車輕量化的表征參量和評價方法 32
　2.1　概述 32
　2.2　乘用車白車身設計、功能、意義和內(nèi)涵 32
　2.3　乘用車整車輕量化效果的評估方法 35
　2.4　乘用車輕量化評價參量的比較 47
　2.5　商用車輕量化的表征參量 48
　參考文獻 49

第3 章　汽車輕量化工程的實施 51
　3.1　概述 51
　3.2　車身的優(yōu)化設計 52
　　3.2.1　有限元分析的優(yōu)化設計方法 53
　　3.2.2　汽車輕量化優(yōu)化設計和安全 54
　　3.2.3　多學科多目標優(yōu)化技術在汽車輕量化設計中的應用 57
　　3.2.4　車身及主要結(jié)構件的拓撲優(yōu)化技術 59
　3.3　合理的選材 62
　　3.3.1　幾種材料特性的比較 62
　　3.3.2　幾種輕量化材料全壽命周期的評價 64
　　3.3.3　主要輕量化材料的環(huán)保性分析 69
　　3.3.4　主要輕量化材料的回收性分析 70
　3.4　先進的成形技術 71
　3.5　輕量化的技術路線 71
　參考文獻 78

第4 章　材料性能和零件功能的關系 80
　4.1　概述 80
　4.2　材料性能定義和范疇的拓寬 80
　4.3　材料性能和零件功能的關系、異同及表征 81
　　4.3.1　不同零件的功能和材料性能的對應關系 82
　　4.3.2　工藝因素對零件功能和材料性能的對應關系的影響 82
　　4.3.3　服役過程中的材料性能和零件功能的變化 94
　4.4　材料研發(fā)必須重視應用研究 95
　4.5　材料性能和零件功能關系的理念的應用 96
　參考文獻 99

第5 章　材料高應變速率下的響應特性 102
　5.1　概述 102
　　5.1.1　應對第三次工業(yè)革命，汽車工業(yè)將向電動化、智能化、輕量化方向發(fā)展 102
　　5.1.2　現(xiàn)代汽車設計理念中的輕量化 102
　　5.1.3　發(fā)展輕量化技術已成為世界各國共識 104
　　5.1.4　現(xiàn)代汽車安全理念中的輕量化 105
　　5.1.5　虛擬開發(fā)是新車開發(fā)的重要手段 105
　5.2　汽車碰撞和工業(yè)實踐需要材料在高應變速率下的響應特性 106
　　5.2.1　動態(tài)載荷和應變速率 106
　　5.2.2　高應變速率下材料力學性能的測試技術 107
　　5.2.3　高速拉伸的試樣的形狀和尺寸 109
　　5.2.4　高速拉伸時信號振動的基本原理及測量技術前沿 110
　　5.2.5　高速拉伸的數(shù)據(jù)處理 112
　　5.2.6　高速拉伸數(shù)據(jù)的本構方程 115
　5.3　影響高速拉伸試驗數(shù)據(jù)可靠性和分散性的因素 123
　5.4　幾類典型材料高速拉伸的響應特性 124
　　5.4.1　高強度鋼和第一代先進高強度鋼 124
　　5.4.2　防彈鋼的高速拉伸性能 129
　　5.4.3　第二代先進高強度鋼——高錳TWIP 鋼 134
　　5.4.4　Q&P 鋼和Q&PT 鋼 137
　5.5　鋁合金在高應變速率下的響應特性 141
　5.6　鎂合金在高應變速率下的響應特性 147
　參考文獻 152

第6 章　汽車用先進高強度鋼的氫致延遲斷裂 158
　6.1　概述 158
　6.2　可擴散氫與殘余應力 159
　　6.2.1　可擴散氫 159
　　6.2.2　殘余應力 161
　6.3　氫致延遲斷裂的微觀機理 163
　　6.3.1　不涉及塑性變形的延遲斷裂機理 164
　　6.3.2　與塑性變形相關的延遲斷裂機理 164
　6.4　氫致延遲斷裂性能的表征方法 165
　　6.4.1　恒載荷拉伸試驗 165
　　6.4.2　慢速率拉伸試驗 166
　　6.4.3　斷裂韌性試驗 167
　　6.4.4　彎曲與沖杯試驗 168
　6.5　先進高強度鋼的氫致延遲斷裂分析 169
　　6.5.1　熱沖壓鋼 170
　　6.5.2　含TWIP 效應的鋼 171
　　6.5.3　含TRIP 效應的鋼 172
　參考文獻 173

第7 章　乘用車結(jié)構的輕量化設計 179
　7.1　概述 179
　7.2　對乘用車的性能要求 179
　7.3　乘用車白車身的性能要求 181
　　7.3.1　白車身剛度 181
　　7.3.2　白車身的安全性 188
　　7.3.3　白車身的固有頻率和NVH 性能 191
　　7.3.4　白車身使用壽命和回收 196
　7.4　乘用車結(jié)構CAE 分析 204
　　7.4.1　CAE 分析的重要意義 205
　　7.4.2　CAE 分析的方法 206
　　7.4.3　CAE 分析的各種軟件 207
　7.5　乘用車結(jié)構輕量化的優(yōu)化設計 209
　　7.5.1　結(jié)構拓撲優(yōu)化設計 209
　　7.5.2　結(jié)構尺寸優(yōu)化設計 211
　　7.5.3　結(jié)構形狀優(yōu)化設計 212
　　7.5.4　白車身結(jié)構載荷傳遞路徑分析和抗撞性設計 213
　7.6　結(jié)構靈敏度分析方法 214
　　7.6.1　概述 214
　　7.6.2　靜態(tài)靈敏度分析理論 215
　　7.6.3　結(jié)構動態(tài)靈敏度分析 218
　　7.6.4　綜合選取設計變量 220
　7.7　基于性能目標最優(yōu)的優(yōu)化設計方法 221
　　7.7.1　概述 221
　　7.7.2　單目標優(yōu)化設計 221
　　7.7.3　多目標協(xié)同優(yōu)化設計 223
　7.8　白車身輕量化多目標優(yōu)化設計舉例 227
　參考文獻 228

第8 章　商用車結(jié)構的輕量化設計 231
　8.1　商用車的工作模式和承載特性分析 231
　　8.1.1　底盤車架 232
　　8.1.2　駕駛室 232
　　8.1.3　行走機構 232
　　8.1.4　動力總成系統(tǒng) 232
　　8.1.5　懸架系統(tǒng) 233
　　8.1.6　車輪 233
　8.2　商用車駕駛室輕量化設計 233
　　8.2.1　駕駛室參數(shù)化建模 234
　　8.2.2　駕駛室彎扭剛度分析 234
　　8.2.3　駕駛室低階模態(tài)分析 236
　　8.2.4　基于被動安全性的駕駛室輕量化優(yōu)化設計 237
　　8.2.5　商用車駕駛室其他輕量化方法 242
　8.3　商用車車架結(jié)構輕量化設計 248
　　8.3.1　車架結(jié)構有限元建模 250
　　8.3.2　車架有限元自由模態(tài)分析 251
　　8.3.3　車架彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的計算 252
　　8.3.4　車架結(jié)構強度分析 255
　　8.3.5　車架結(jié)構輕量化設計 257
　　8.3.6　車架疲勞壽命分析與輕量化 261
　8.4　驅(qū)動橋橋殼輕量化設計 265
　　8.4.1　概述 265
　　8.4.2　橋殼結(jié)構有限元建模 266
　　8.4.3　橋殼結(jié)構強度和剛度分析 269
　　8.4.4　橋殼結(jié)構輕量化設計 272
　參考文獻 276

第9 章　汽車輕量化和先進高強度鋼的應用 279
　9.1　概述 279
　9.2　汽車鋼板的分類 281
　9.3　汽車鋼板的典型顯微組織 285
　9.4　汽車高強度鋼和先進高強度鋼的研究進展 293
　9.5　高強度鋼的材料選用和設計哲學 309
　　9.5.1　應用高強度鋼時的重要性能 310
　　9.5.2　設計哲學 313
　9.6　高強度鋼的應用和相關問題 317
　　9.6.1　成形性 318
　　9.6.2　加工硬化特性 323
　　9.6.3　回彈 324
　　9.6.4　疲勞性能 338
　　9.6.5　應變歷史對雙相鋼疲勞性能的影響 347
　　9.6.6　點焊性能 350
　　9.6.7　工藝性能 354
　　9.6.8　烘烤硬化 356
　　9.6.9　壓潰吸能 356
　參考文獻 357

第10 章　汽車輕量化和鋁合金的應用 362
　10.1　概述 362
　10.2　鋁合金的特點和優(yōu)點 364
　10.3　汽車鋁合金的應用形式 366
　　10.3.1　鑄造鋁合金 366
　　10.3.2　精密鑄造鋁合金 368
　　10.3.3　半固態(tài)鑄造成形 373
　　10.3.4　鍛造鋁合金 379
　　10.3.5　擠壓鋁合金 380
　　10.3.6　變形鋁合金板材 382
　10.4　各類型鋁合金在汽車中的典型應用 383
　　10.4.1　鑄造鋁合金的應用 383
　　10.4.2　鍛造鋁合金的應用 391
　　10.4.3　擠壓鋁合金的應用 393
　　10.4.4　軋制鋁合金板材 395
　10.5　鋁合金在汽車典型零部件和白車身上的集成應用 397
　　10.5.1　鋁合金副車架 397
　　10.5.2　鋁合金在汽車懸架上的應用 399
　　10.5.3　鋁合金在新能源車上的應用 401
　　10.5.4　鋁合金在典型整車上的應用 403
　　10.5.5　其他新型鋁合金在汽車上的典型應用 405
　10.6　汽車用高性能、高成形變形鋁合金板材的研究進展 410
　　10.6.1　對汽車變形鋁合金板材的力學性能要求 410
　　10.6.2　成形性 419
　　10.6.3　預處理（T4P）和抗時效穩(wěn)定性 436
　　10.6.4　烘烤硬化性 441
　　10.6.5　抗凹性 442
　　10.6.6　5000 系鋁合金鎂含量和應力腐蝕開裂 444
　　10.6.7　油漆的光鮮性——表面狀態(tài)、羅平線和橘皮 445
　　10.6.8　油漆兼容性 456
　　10.6.9　鋁合金應用時的焊接技術 457
　參考文獻 460

第11 章　汽車輕量化和高分子基復合材料的應用 464
　11.1　概述 464
　11.2　高分子基復合材料的定義和分類 464
　　11.2.1　高分子基復合材料的定義 464
　　11.2.2　高分子基復合材料的分類 465
　11.3　纖維增強樹脂基復合材料 465
　11.4　增強纖維 466
　　11.4.1　玻璃纖維 466
　　11.4.2　碳纖維 467
　　11.4.3　芳綸纖維 468
　11.5　樹脂基體 469
　　11.5.1　熱固性樹脂基體 469
　　11.5.2　熱塑性樹脂基體 470
　11.6　復合材料的界面 470
　　11.6.1　界面剪切力的提出 471
　　11.6.2　界面剪切力的測定方法 471
　11.7　熱固性樹脂基復合材料的制造工藝與方法 472
　　11.7.1　手糊成形工藝 472
　　11.7.2　噴射成形工藝 474
　　11.7.3　樹脂傳遞模塑（RTM）成形 475
　　11.7.4　袋壓法、熱壓罐法、液壓釜法和熱膨脹模塑法成形 476
　　11.7.5　夾層結(jié)構成形工藝 476
　　11.7.6　模壓成形工藝 477
　　11.7.7　卷管成形工藝 479
　　11.7.8　纏繞成形工藝 479
　　11.7.9　拉擠成形工藝 480
　11.8　熱塑性樹脂基復合材料的制造工藝與方法 480
　　11.8.1　擠出成形工藝 481
　　11.8.2　注塑成形工藝 482
　　11.8.3　連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料成形工藝 483
　　11.8.4　樹脂注入成形工藝 484
　　11.8.5　GMT 片材模壓工藝 484
　11.9　復合材料的強度理論 485
　　11.9.1　連續(xù)纖維增強高分子基復合材料的強度 485
　　11.9.2　不連續(xù)纖維增強高分子基復合材料的強度 486
　　11.9.3　長纖維和短纖維增強高分子基復合材料的混合強度 487
　11.10　樹脂基復合材料在汽車輕量化中的應用 487
　　11.10.1　汽車用復合材料的特點 487
　　11.10.2　復合材料在汽車上的應用 489
　　11.10.3　復合材料在新能源汽車上的典型應用 508
　參考文獻 512

第12 章　汽車輕量化和鎂合金的發(fā)展應用 514
　12.1　概述 514
　12.2　鎂合金的特點和優(yōu)勢 515
　12.3　鎂合金應用的類型 515
　　12.3.1　汽車用鑄造鎂合金 515
　　12.3.2　汽車用變形鎂合金 516
　12.4　汽車用新型鎂合金的研究現(xiàn)狀和進展 516
　　12.4.1　高強高韌鎂合金 516
　　12.4.2　耐熱鎂合金 518
　　12.4.3　高耐蝕性鎂合金 521
　　12.4.4　高性能變形鎂合金 522
　　12.4.5　阻燃鎂合金 522
　　12.4.6　半固態(tài)成形鎂合金 524
　　12.4.7　鎂基復合材料 524
　12.5　鎂合金在汽車輕量化中的典型應用 527
　　12.5.1　鎂合金方向盤骨架 528
　　12.5.2　鎂合金儀表盤支架 528
　　12.5.3　鎂合金輪轂 529
　　12.5.4　鎂合金座椅骨架 530
　　12.5.5　鎂合金自動變速器殼體 530
　12.6　擴大鎂合金應用的問題和方法 530
　　12.6.1　積極推進鎂合金的基礎研究 530
　　12.6.2　建立世界級的產(chǎn)品開發(fā)和設計平臺 531
　　12.6.3　加快推進鎂合金牌號和產(chǎn)品標準化 532
　　12.6.4　積極開展汽車全壽命周期評價的研究 532
　　12.6.5　大力推進汽車板EVI 服務模式 533
　　12.6.6　積極組建產(chǎn)學研用協(xié)同創(chuàng)新體 533
　參考文獻 535

第13 章　汽車輕量化和熱沖壓成形技術 541
　13.1　概述 541
　13.2　熱沖壓成形材料的開發(fā) 543
　13.3　熱沖壓成形板的鍍層 549
　13.4　熱沖壓成形鋼的高溫流變特性、FLD 和摩擦系數(shù)的測定 551
　13.5　加熱工藝 555
　13.6　成形和冷卻 557
　13.7　熱沖壓成形時的計算機模擬 558
　　13.7.1　沖壓成形和冷卻過程中的模擬 559
　　13.7.2　熱傳導模擬 560
　　13.7.3　材料的流變模型和本構方程 564
　　13.7.4　馬氏體相變模型 567
　　13.7.5　成形極限圖和摩擦系數(shù) 568
　13.8　不同組織狀態(tài)下的22MnB5 鋼的本構方程 573
　13.9　熱沖壓成形零件熱-力耦合仿真的實際應用 575
　　13.9.1　工藝參數(shù)對熱沖壓成形前防撞梁的影響 575
　　13.9.2　熱沖壓成形零件開模變形的仿真 581
　13.10　熱沖壓成形的模具設計 594
　13.11　熱成形零件的性能檢測 599
　　13.11.1　準靜態(tài)力學性能和高速拉伸性能 599
　　13.11.2　熱沖壓成形鋼板的尖冷彎 601
　　13.11.3　熱沖壓成形質(zhì)量的檢測和構件功能的檢測 603
　13.12　熱沖壓成形零件的后續(xù)加工 604
　13.13　熱沖壓成形的熱點 606
　參考文獻 615

第14 章　汽車輕量化和其他先進成形技術 622
　14.1　液壓成形 622
　　14.1.1　概述 622
　　14.1.2　板料的液壓成形原理和方法 622
　　14.1.3　板料液壓成形的形式 623
　　14.1.4　板料液壓成形的應用 625
　14.2　內(nèi)高壓成形 627
　　14.2.1　內(nèi)高壓成形的原理和方法 627
　　14.2.2　內(nèi)高壓成形的裝備 630
　　14.2.3　內(nèi)高壓成形的模具設計 634
　　14.2.4　內(nèi)高壓成形的用材和性能要求 639
　　14.2.5　內(nèi)高壓成形零件的檢測和評價 642
　　14.2.6　內(nèi)高壓成形的典型應用 643
　14.3　輥壓成形 644
　　14.3.1　輥壓成形工藝概述 644
　　14.3.2　高強鋼輥壓成形材料特性 645
　　14.3.3　高強鋼輥壓成形工藝設計及裝備 646
　　14.3.4　高強鋼輥壓成形零件的檢測與評價 649
　　14.3.5　高強鋼輥壓成形件在汽車輕量化的應用 651
　　14.3.6　輥壓成形前沿技術 652
　14.4　激光拼焊板沖壓成形技術 654
　　14.4.1　概述 654
　　14.4.2　激光拼焊的原理和方法 654
　　14.4.3　激光拼焊焊縫組織和性能 655
　　14.4.4　影響激光拼焊板質(zhì)量的因素 656
　　14.4.5　激光拼焊板在汽車工業(yè)中的應用 658
　　14.4.6　激光拼焊板沖壓成形基本原理 658
　　14.4.7　激光拼焊板沖壓成形優(yōu)勢 659
　　14.4.8　激光拼焊板沖壓成形性及其模具設計制造關鍵技術 660
　　14.4.9　激光拼焊板沖壓件可制造性分析 663
　　14.4.10　激光拼焊板零件優(yōu)化設計 665
　　14.4.11　激光拼焊板沖壓件在車身中的典型應用 667
　14.5　汽車用變厚板（VRB） 670
　　14.5.1　概述 670
　　14.5.2　變厚板軋制技術基本原理 671
　　14.5.3　變厚板應用關鍵技術 674
　　14.5.4　變厚板的檢測評價 677
　　14.5.5　變厚度鋼板在汽車行業(yè)的典型應用 679
　參考文獻 681