随着能源的匮乏，节省能源已经成为各汽车厂商争相研究的课题。有研究表明：当汽车的质量减小10%时，其油耗相应降低6%~8%。对于纯电动汽车来说，续航里程一直是阻碍其普及的重要因素，减轻车身重量，能够节省动力电池的电量，增加续航里程。所以汽车的轻量化已经成为各汽车厂商研发创新的技术方向，也是体现各汽车厂商竞争能力的重要指标。

在汽车轻量化的研究方面，主要采用的方法有三种：一是采用密度比合金钢更小的新型材料，如铝合金、镁合金、工程塑料以及碳纤维等；二是对车身及其零部件的结构进行优化，在不影响功能、强度等要求的前提下减少材料的使用；三是对车身成型的工艺进行优化。其中新型材料的使用已经成为汽车轻量化研究的主流。

在所有新型材料中，应用最多的是铝合金材料，本文通过对铝合金的技术特点及力学性能分析，同时利用有限元分析软件ANSYS Workbench对材料分别为合金钢和铝合金的汽车前纵梁进行仿真模拟，得到了两种材料的汽车前纵梁的位移云图，通过对位移云图的分析，说明了铝合金材料在汽车轻量化制造中的优越性。

铝合金技术特点及力学性能分析

图1  铝合金6111-T4PD型的有效应力应变曲线

铝合金之所以能够广泛地应用在车身制造中，是因为它具有密度小、耐腐蚀、具有高的比强度和回收利用率等显著的技术特点。有研究表明，相比合金钢，在力学性能指标相同的情况下，铝合金的质量仅为合金钢的40%；而在承受同样外界冲击的情况下，铝合金板吸收外界冲击能量的能力是钢板的两倍。
目前用于汽车车身钣金的铝合金材料主要有2000系列、5000系列、6000系列和7000系列。其中，6000系列铝合金在初始状态和退火状态是易塑的，具有很好的成形性，图1显示了铝合金6111-T4PD型的有效应力应变曲线。经过热处理以后，能够对合金进行强化，其屈服强度接近150 MPa，达到普通碳钢的强度水平。对于车身上一些强度和刚度要求较高的部位多采用此系列。

通过对铝合金的技术特点及力学性能分析可知：铝合金替代合金钢作为车身材料，能够在减轻车身重量的前提下保证车身具有足够的强度。下面以汽车前纵梁为例，对其在受到外力作用时的变形情况进行有限元模拟分析。

汽车前纵梁有限元分析

图2  左右前纵梁及防撞梁模型

建立汽车左右前纵梁模型如图2所示，并将模型导入到有限元分析软件ANSYS Workbench，分别选择合金钢和6000系列铝合金作为汽车前纵梁的材料对模型进行仿真模拟，这里假设施加在防撞梁上的应力为0.16 MPa。防撞梁通过形变将力传递到左右前纵梁，得到的前纵梁的位移云图如图3和图4所示。
从图3和图4中可以看出，两种不同材料的汽车前纵梁变形情况，具体如表所示。

图3 材料为合金钢的前纵梁位移云图

图4 材料为铝合金的汽车前纵梁位移云图

表中数据表明：当汽车前纵梁的材料为6000系列铝合金时，其形变量是其材料为合金钢时的1.24倍，且铝合金材料的应力分布比较均匀分散，避免了应力集中问题，这就间接地说明了铝合金材料承受外界冲击的能力比合金钢强，更适合用于汽车前纵梁的制造。

虽然铝合金的优点众多，但是它也存在着一些不足之处，比如电阻小、导热系数大，对点焊时的焊接电流要求高、焊接质量不好控制，且靠近点焊的工装夹头必须采用非铁磁性材质，需要特殊的电极帽及修模器等。

总结

本文通过对铝合金的技术特点及力学性能分析、有限元模拟得到如下结论：1）铝合金的密度小、强度高，能够在减小车身质量的同时保证其强度要求；2）铝合金结构在受到外界冲击时形变均匀分散，对外界冲击力的承受能力强；3）铝合金焊接难度大，对焊接设备要求高，完全替代合金钢作为车身的材料还有很长的路要走。