汽车轻量化趋势解读:结构设计新方向与未来展望

最近,很多买了新能源车的朋友可能会有一个共同的感受,就是感觉现在的车子好像越来越“沉”了。

明明大家都在说要给汽车“减肥”,搞轻量化,怎么这新时代的智能电动车,反而比以前的燃油车还要重呢?

这听起来有点不合常理。

汽车轻量化趋势解读:结构设计新方向与未来展望-有驾

根据行业内的统计数据,这个感觉还真不是错觉。

就拿2022年和2023年的市场数据来看,新能源车的平均重量确实比同级别的燃油车高出了大约15%。

比如紧凑型的电动轿车,能比同级别的燃油车重上将近两成。

这多出来的重量可不是小事,它直接关系到车子能跑多远,刹车灵不灵,开起来顺不顺手。

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这就引出了一个非常现实的问题:在汽车越来越智能、越来越电动的今天,我们到底该怎么看待和解决这个“增重”的烦恼?

轻量化这条路,我们究竟走到了哪一步,未来又要怎么走?

其实,汽车变重的原因很简单,主要是因为多了个“大块头”——动力电池,再加上为了实现智能驾驶和智能座舱,车上装了越来越多的雷达、摄像头、传感器和芯片。

这些东西加起来,分量可不轻。

所以,现在搞汽车轻量化,已经不是过去那样单纯为了省点油了,它变成了一个必须解决的核心问题。

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车身太重,电耗就高,续航里程就短;车身太重,惯性就大,对刹车性能和操控灵活性都是个挑战。

可以说,轻量化是决定未来新能源智能汽车综合性能好坏的关键一环,也是我们国家汽车产业能不能在全球竞争中站稳脚跟的重要支撑。

放眼全球,顶尖的汽车制造商们为了给汽车“瘦身”,已经玩出了很多新花样。

首先一个大趋势就是“高度集成化”。

这个概念说白了,就是把原来好几个零件干的活,现在让一个零件全包了。

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最典型的例子就是电池和车身的融合。

最早的电动车,电池是一块一块的模组,再装进一个叫电池包的“大铁盒”里,然后把这个“铁盒”固定在底盘上。

后来工程师们觉得太麻烦、太占地方,就搞出了无模组技术(CTP),直接把电芯集成到电池包里。

再后来,大家觉得还不够极致,干脆把车身的地板和电池包的上盖合二为一,做成一个整体,这就是所谓的CTB技术,咱们国内的长安汽车等企业就在积极探索。

最近,更进一步的CTC技术也出现了,直接把电芯和底盘深度地融合在一起。

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这么一整合,不仅零部件数量大大减少,车内空间变大了,电池的能量密度也提升了,而且电池本身还成了车身结构的一部分,能帮助车身分担受力,增强整车的刚性和碰撞安全性,可以说是一举多得。

第二个趋势是“模块化”,这就像是玩起了高级版的“乐高积木”。

以前的模块化,可能只是把几个功能相近的小零件做成一个部件。

但现在,模块化的思想已经上升到了整个造车流程。

比如特斯拉提出的“开箱”制造工艺,就彻底颠覆了传统汽车冲压、焊接、涂装、总装的百年流水线。

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他们把整辆车预先设计成六个大模块,每个模块都包含了车身、内外饰、电器的一部分,在各自的生产线上同步制造,最后再像拼积木一样快速组装成一辆整车。

这种方式极大地提高了生产效率。

我们国家自己的企业,比如宝武钢铁集团,也开发出了名为“伏兮底盘”的滑板底盘,把底盘分成了前、中、后三个标准模块,可以灵活地匹配各种不同的上车身。

这种玩法,从根本上改变了汽车的设计和生产模式,它要求结构设计、新材料和先进工艺必须高度协同。

第三个有意思的趋势,是向大自然学习的“仿生结构设计”。

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大自然经过亿万年的进化,创造出了无数既轻巧又坚固的结构。

比如,日本马自达有一款车的悬挂系统,其设计灵感就来源于蝴蝶的翅膀。

通过模仿蝴蝶翅膀那种精巧的结构和运动方式,设计师们造出了一种全新的悬挂,不仅重量更轻,性能还更好,让车子开起来更稳定、更舒适。

这种从生物身上寻找灵感的设计,正在为汽车零部件的轻量化开辟一条全新的道路。

看完了世界潮流,我们再回过头来看看我们自己。

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经过这么多年的努力,中国汽车在轻量化方面取得了非常显著的进步。

有一个叫“整车轻量化系数”的指标,数值越小说明车子越轻,我们的这个系数已经从2013年的3.05,降低到了2022年的2.3,进步幅度相当大。

我们的自主品牌汽车,也早就不是过去那种单纯的钢制车身了,现在普遍采用钢铝混合、铝合金、镁合金甚至碳纤维复合材料等多种材料来打造车身,产品的市场竞争力大大提升。

更可喜的是,我们还开发出了拥有自主知识产权的车身结构智能优化软件,这意味着我们在最基础的设计工具上,也开始有了自己的“独门武器”。

当然,成绩值得肯定,但我们面临的挑战也同样严峻。

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首先,我们对于未来全新汽车架构的系统性研究还不够深入。

随着智能驾驶技术的发展,甚至未来飞行汽车的出现,汽车的形态会发生颠覆性的变化。

这就要求我们不能再用老眼光看问题,需要从最顶层的设计理念开始进行系统性的创新。

轻量化是一个涉及设计、材料、工艺、成本等方方面面的系统工程,我们在这方面的多学科协同作战能力还需要加强。

其次,我们的设计效率有待提高。

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现在汽车市场的竞争非常激烈,一款新车的研发周期已经从过去的几年压缩到了一年半载。

这就对我们的设计效率提出了极高的要求。

尤其是在采用一体化压铸这样的大型复杂部件时,如何快速准确地预测材料在模具里的流动情况、成型后的性能分布、会不会产生缺陷等等,都是巨大的挑战。

如果还用传统“试错”的方法,效率太低。

很多时候为了赶进度,工程师不得不简化模型进行分析,比如把一个复杂的铸件当成厚度均匀、性能一致的理想状态,这要么会造成材料浪费,要么会带来安全隐患。

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最后,我们和人工智能技术的融合还处在初级阶段。

人工智能被看作是未来提升设计效率和水平的终极武器,但要让它真正发挥作用,需要海量的高质量数据来“喂养”。

目前,我们汽车产业链上各个环节的数据还比较分散和封闭,形成了一个个“数据孤岛”,难以整合利用。

同时,现有的智能算法和模型,也大多只能解决一些相对简单的优化问题,离实现复杂的多目标智能设计和决策还有很长的路要走。

面向未来,中国汽车轻量化的发展方向已经非常清晰。

那就是要坚定地走向多材料结构设计、集成化设计、一体化设计和人工智能设计。

具体来说,就是要学会根据零部件不同部位的性能需求,像“调酒师”一样,巧妙地把钢、铝、复合材料等不同特性的材料搭配使用,实现“好钢用在刀刃上”;要更大胆地进行集成化设计,把车身简化为几个高度集成的“超级模块”,实现装配式生产;要在设计之初,就把结构、材料、性能、工艺、成本甚至环保回收等所有因素都纳入一个模型里进行综合考量,寻求最优解,这就是一体化设计的精髓;最终,我们要加快布局,建立起我们自己的轻量化大数据体系,开发出更聪明的算法和模型,让大数据和人工智能成为设计师的“超级助手”,从而在根本上提升我们汽车轻量化结构设计的水平和效率,为中国汽车产业的未来发展注入源源不断的创新动力。

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