一、 车身轻量化的重要性

轻量化，是提升新能源汽车续驶里程的关键。对于新能源汽车来说，车身质量约占整车质量的24%～32，因此车身质量的减轻对于提高汽车性能和节能减排具有重要意义。新能源汽车要增加续航里程，必然搭载大容量动力电池，电池的安全性也十分重要，在轻量化的同时要求整车能够充分保证车内乘员和电池的安全，因此合理科学地提升轻量化目前面临诸多挑战。本文以近期某款新能源轿跑车为例，介绍如何综合运用结构优化设计、先进材料和工艺等技术实现车身的高性能、高安全性和轻量化。

二、 提升轻量化的设计技术

1、车身结构设计

车身框架开发是新能源汽车保证安全性和轻量化的重要环节，涉及总布置、电池包、副车架、座椅、三电选型、增程前舱布置等多个方面。1.1基于耐撞性的车身框架设计

在车身框架设计中，耐撞性的提升依赖于对多种碰撞工况下力传递路径的精心规划。采用多路径框架有助于稳定能量传递，减少冗余设计，从而实现减重。在25%小偏置碰撞中，下图展示了下车身单侧的5条传递路径，确保了框架的稳定性，避免了应力集中导致的结构失效。这不仅保护了电池包安全，还为其提供了更大的布置空间。此外，合理设置吸能区和折弯区，以便充分吸收能量。在需要严格控制侵入量的部位进行有效的加固，以减少结构变形。在MPDB碰撞工况中，圧溃区、Z形折弯区和乘员舱的加强结构均展现了刚柔并济的设计原则。

针对侧面碰撞安全性，特别是柱碰情况，采用了双目形铝门槛和小吸能盒设计，确保能量得以稳定且充分吸收。电池包与下车身协同形成了4条传递路径，有效地分散了碰撞能量。而激光拼焊一体式热成形门环作为高强度车身框架的代表，充分保证了非吸能区的结构稳定性，防止电池包侧边梁和其他结构的侵入，从而避免了电芯受到挤压。这为乘员提供了重要的安全保障。

作为传力路径的连续封闭环，各部分需要在相互协作的基础上实现强度的差异化，以应对不同的碰撞工况。车身后碰撞的耐撞性通过多重差异化强度的连续封闭环来提高。此外，热成型后纵梁、由后防撞梁总成及后纵梁后延伸板构成的吸能区，以及电池包防侵入结构，在高速追尾的情况下充分保护了电池包的安全。在车身设计开发阶段，需要大量应用CAE仿真模拟来验证各种碰撞情况的车身耐撞性。

1.2　基于高刚度的车身框架设计

车身作为固定其他零件的基础载体，其刚性对于操纵稳定性、传递函数、动态密封以及异响控制都具有关键作用。通过车身骨架、电池包框架以及副车架的一体化设计，构建了一个由多个连续承力环组成的笼式框架，如下图所示。此外，还需要对所有车身零件进行灵敏度分析，并依据经验进行优化控制，旨在确定最优的材料厚度及截面尺寸。这种设计方法确保了大截面、高强度钢以及1.8～2.5mm厚度的车身框架接头能够具备高弯曲刚度和扭转刚度。在B柱上端接头处采用了三通结构设计，而在C柱上端则使用了四通结构，并进一步扩大了搭接区域。在封闭的C环内部，增加了一个V型梁，以进一步提升车身的扭转刚度。

2、材料的选择和应用

在完成足够的安全强度设计下，接下来从材料方面考虑优化。铝、普通高强度钢、先进高强度钢、热成型钢和塑料等材料的选择在轻量化方面具有显著贡献，但同时也需要在轻量化、性能和成本之间找到平衡。该款新能源车经过多轮优化，其车身的材料应用比例如下：软钢占比16.5%，普通高强钢占比10.7%，先进高强钢占比37.1%，热成形钢占比29.3%，铝合金占比6.4%，塑料占比0.6%。车身材料分布如图所示。下面分析各材料对车身性能和轻量化的影响。

2.1　热成形钢的应用

可以看到，该车身在碰撞传力结构件和关键框架结构件上，大量使用了23件热成形钢， 质量占比高达29.3%，其分布下图所示。热成形钢的合理利用，除了减轻质量外，还带来了成本的降低。以门槛后部连接板延伸板为例，材料由普通高强度钢更改为热成形钢后，较分件方案减重15%，由3.763 kg 减重到3.201 kg，单车减重1.240 kg；减少了零件数量（左右共减少2个件），单车成本减少10.46元，工装开发费降低约24万元。

为了实现全球五星的安全性目标，确保乘员安全，并获得更好的轻量化效果，该款新能源车采用了2000 MPa热成形车门防撞梁。以前门防撞板为例，其材料由QP980更改为B2000HS，采用W型截面。主截面尺寸调整为111 mm×33 mm，并采用局部变截面的方式，材料厚度由2.0 mm减薄到1.6 mm。这些改进使前车门防撞板单侧减重0.93 kg，单车减重1.86 kg，减重比例达25%。虽然2000 MPa热成形钢存在氢脆风险，但车门防撞梁在正常情况下不受力，仅在发生碰撞时起作用，且使用的是裸板，因此氢脆风险较低。A柱加强板内板也使用了2000 MPa热成形钢裸板。

2.2　铝合金的应用

近年来，铝合金板材、型材和铸件在车身制造中得到了广泛应用。综合考虑车身性能、减重效果、可维修性和成本，铝合金型材成为首选材料，其次是铝合金铸件，而铝合金板材目前暂未被采用。下图展示了铝合金在该车身中的分布，共有6个部件，质量占比6.4%。前、后防撞梁作为车身安全的关键部件，采用铝合金结构替代传统的钢结构。通过优化截面和合理设置吸能区，实现了前、后防撞梁减重30%～50%。以下图所示的前防撞梁总成为例，铝合金的减重效果最为显著，相对于热成形件减重约42%。

为了确保侧面柱碰撞过程中动力电池电芯的安全，在门槛内部设置了加强梁。在激光拼焊一体式热成形门环与热成形门槛梁之间增加了铝制门槛内加强梁，充分利用Y向空间实现稳定且良好的吸能效果。通过优化截面形状，从圆形、矩形、“日”形、“目”形逐渐迭代到双“目”形，并在不同部位设定不同的材料厚度，确保了门槛的稳定吸能性。铝制加强梁展现出优良的压溃而不翻转特性，与钢制管梁相比减重了50%以上。为了同时满足轻量化、NVH、模态和静刚度等要求，在车身C环处布置了梁类结构，以强化C环传递路径和扭转刚度为核心设计指标。首先，确认梁可布置的整车空间，找到最优位置。其次，在确定的连续可安装区域内进行拓扑优化，即改变结构的拓扑关系，重新分配材料在零件上的分布。在确定了拓扑关系后，开展形貌和尺寸优化设计，目标是实现最大的刚度和最小的质量。首先确定主路径上的断面尺寸。对于V型梁的材料和工艺，有两种选择：钢板冲压件焊接总成和铝合金整体压铸。经过比较，冲压V型梁和压铸铝V型梁对BIP扭转刚度的提高分别为3668 Nm/（°）和5540 Nm/（°），而其质量分别为2.73 kg和1.62 kg。显然，压铸铝V型梁在提高扭转刚度方面更为有效，且质量更轻。由于V型梁对扭转刚度的显著提升，可以在满足车身扭转刚度设计目标的前提下，适当调整其他零件的材料厚度或形状，从而实现总体减重约6 kg。 

2.3　其他轻量化材料的应用

除了热成形钢和铝合金，该车型车身还采用了多种轻量化材料。在A柱上，采用了空腔CBS（Composite Body Solutions），用塑代钢的思路来提升A柱的抗弯性能，从而降低对A柱上钣金强度的依赖。通过减少料厚，实现了车身的减重，同时也降低了对A柱造型的要求，减小了盲区。此外，中高弹性模量的玻璃胶的使用，有效提升了车身的静刚度，为减重提供了静刚度的余量。外覆盖件则使用烘烤硬化钢板，提升了抗凹性能，实现料厚的减薄降重。

三、 提升轻量化的制造技术

除了在车身设计上采用合理的结构和材料，先进的制造工艺也有助于提升轻量化。激光拼焊板一体冲压成形技术在车门内板的应用已经非常普遍，比如四门内板就采用了这一技术。通过将不同厚度的钢板进行激光焊接，然后一起冲压成形，能够实现更好的轻量化效果。以左前门内板为例，前部板材为DC56D+Z，厚度为1.2毫米，而后部板材同样是DC56D+Z，但厚度为0.65毫米。相对于整体厚度为1.2毫米的前门内板，单侧减重了2.607千克，减重比例约为31%。即使考虑到窗框、门锁等局部加强结构导致的材料增加，也能实现15%以上的减重效果。通常汽车侧围加强板的制作是先经过冲压成形，然后再进行焊接组装。由冲压工序制造的包括上边梁加强板、A柱加强板上部、A柱加强板、侧边梁加强板、B柱加强板这5种冲压件，在完成制作后会被送至焊装车间。在焊装车间中，这些部件会被固定在焊接夹具上，然后通过点焊技术把它们焊接成一个完整的侧围加强板总成。这个焊接过程相当有挑战性，因为点焊的搭接边工艺使得整体质量偏重。为了确保在各种碰撞情况下乘员和电池包的安全，工程师需要严格控制乘员舱的侵入量，特别是在25%小偏置碰撞这种特殊情况下。为了在保障安全的同时实现更好的轻量化效果，该款车型选用了一种特殊的侧围加强板——激光拼焊一体式热成形侧围加强板，也被称为一体式门环。这种一体式门环的生产过程包括落料、激光拼焊、热冲压和镭射等步骤。其中热冲压步骤是工艺难度最大的一个环节。这个门环是由5块不同厚度的HC950/1300HS板材组合而成的。与传统的5种冲压件单独成形相比，整体冲压成形的深度增加了约20%。 

激光拼焊一体式门环相较于传统的高强度钢分件方案，减少了单件焊接的搭接重叠部分，从而减重22%，并且左右共减少了6个零件。一体式结构的连续激光焊缝能大大提高结构强度，不受点焊数量的影响。以25%小偏置碰撞为例，一体式方案能保证乘员舱上部侵入量达标，而分件式方案则不能。此外，一体式方案在其他指标上也得到了较大提升。

四、轻量化计算

经过实车测量，该款车型的白车身骨架BIW质量为349.6 kg。同时，其BIW扭转刚度和弯曲刚度分别为17 300 Nm/ （°）和17 040 N/mm。包括前后风挡、前端框架、前后碰撞横梁、副车架及电池包总成的BIP，其扭转刚度和弯曲刚度分别为34 050 Nm/ （°） 和22 600 N/mm。使用国际通用的车身轻量化系数计算公式进行计算，车身轻量化系数为2.03。与最近几年欧洲车身年会公布的 44 款车型的轻量化系数对比可知，这个数值是排在前十名的，代表其轻量化水平较高。

考虑到电池包对车身刚度的贡献，在计算车身轻量化系数时，仅仅依据定义排除电池包的质量是不够的。因为电池包壳体对刚度的贡献已经被考虑，所以其质量也应该被考虑。于是在原公式中加入了电池包壳体的质量（62.8 kg），得到了以下的新公式。通过新公式计算出轻量化系数为2.39。与最近几年欧洲车身年会公布的 44 款车型的轻量化系数对比可知，这个数值是排在前十名的，代表其轻量化水平较高。

通过对比白车身（BIW）和包括电池包在内的完整车身（BIP）的刚度值可以发现，电池包对扭转刚度的贡献非常显著，几乎使刚度翻倍。正是由于这种特性，新能源车的车身骨架可以相对弱化，从而实现更轻的重量。当使用白车身扭转刚度来计算轻量化系数时，结果为3.99。这一数值表明，电池包对轻量化系数的影响非常大。

五、结语

通过巧妙的结构优化设计、选用轻量化材料以及采用先进的制造技术，可以在车身轻量化方面取得显著成果。以这款新能源轿跑车为例，为了提升轻量化，工程师对其车身框架进行了精心优化，并采用了多项创新技术，如激光拼焊一体式热成形门环、压铸铝V形梁、铝型材门槛加强梁以及门内板激光拼焊技术。此外，还使用了2000 MPa的高强度热成形钢，确保了车身的碰撞安全性能达到全球五星标准，并且BIP扭转刚度高达34050 Nm/（°）。对于新能源汽车来说，提高续航虽然有多种方式，但汽车轻量化技术依然是不可忽视的一环。

注：文章中引用数据和图片来源网络