作者 —— 咖加用戶：張大媽家的kimi838
前言
最近，中保研的2019年度碰撞結果全部披露，其中不少車型的碰撞測試結果引起熱議，諸如，大眾帕薩特，大眾途觀L，現代菲斯塔，本田凌派的成績讓消費者對中國特供車型的安全性心生疑慮，加之之前多款全球車型如本田Inspire在C-IASI中測試表現不及海外版本車型測試結果，身邊不少朋友都對非"原裝進口"的車型的安全性持懷疑態度，"國產不能買"，"國產必減配"等言論甚囂塵上……
安全性是很多消費者購車考慮的首要因素，而被動安全又往往被視為車輛安全性的底線，碰撞測試結果該怎麼看？買一個碰撞測試最佳的車是不是一定能保命？坊間的拆車卡尺黨說的厚道的車一定安全嗎？相信大家關於汽車安全性的問題還有很多，作為一個力學出身的PhD，看著網絡上各路拆車黨，卡尺黨在2019年依舊在用著"厚度""能否被磁鐵吸附"等民科概念忽悠消費者，實在不忍，於是寫下下面的文字，希望能從科學角度，帶大家瞭解車身結構，並對相關的被動安全概念有所掌握，讓大家能夠避開那些非蠢即壞的消費誤區。
本文的主要內容如下：
1、碰撞測試發展沿革及知識科普：碰撞測試為何而來，現階段的碰撞測試能夠多大程度提升汽車安全性；
2、車身結構中的材料學及力學知識科普：軟硬、強度、剛度等材料概念和汽車的被動安全性有怎樣的聯繫；
3、汽車車身結構設計及材料應用發展趨勢：在碰撞測試逐漸嚴苛的情況下，應試不是錯，前路在何方；
4、參考資料：權威來源，拒絕道聽途說。
1、碰撞測試發展沿革及知識科普
為什麼C-NCAP評價中那些"非5星"產品依然在市場暢行無阻？為什麼C-NCAP會被戲稱"5星批發部"？同樣是NCAP測試，中國和歐美髮達國家有哪些差異？要回答下面的問題，我將介紹CNCAP及各國NCAP的歷史、基本特點和發展趨勢。從試驗形態、碰撞速度、假人安放、評價指標等角度, 比對了正面碰撞、側面碰撞、翻滾試驗、主動安全輔助裝置以及總體評價等。
1.1、C-NCAP的測試標準
中國汽車技術研究中心在充分研究並借鑑歐洲新車評價規程 (E-NCAP) 發展經驗的基礎上, 結合我國汽車法規標準制定經驗、道路標準和交通狀況, 於2006年建立了中國新車評價規程 (C-NCAP) 。
近年來, 隨著各國路況變化和安全技術的提升, 既有的"新車評價規程 (NCAP) "評價體系對於汽車安全性的區分度一直在降低，這也是為什麼一段時間C-NCAP會呈現出5星增多的原因。為此, 中國汽車技術研究中心每3年對《C-NCAP管理規劃》進行一次更新, 以便於對其不足之處進行更改、適應科技的進步和新的理念。歷次修改變化如下圖所示。
▲ C-NCAP歷年更新。
C-NCAP對於碰撞試驗中三個重要元素:壁障、速度、假人是較少改變的, 大部分的調整在分值計算和權重部分。幾乎每次更新都會有新增測試, 並將新式車型 (新能源汽車) 和新型成熟技術 (安全帶提醒裝置、電子穩定控制裝置等) 加入試驗範圍。運行管理條目的內容在每次版本更新時都會針對新增內容進行細節調整。
乘員保護部分在NCAP體系中佔有重要地位, 主要包括碰撞試驗、低速後碰撞頸部保護試驗 (鞭打試驗) 。其中碰撞試驗項目主要包括正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗、正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗和側面碰撞試驗。在不同NCAP體系, 這些碰撞試驗測試項目的細節存在差異。
a. 偏置正碰項目
在大多數正面碰撞中, 車輛的正面僅有一部分遭到撞擊並且被破壞, 即兩輛相撞的汽車存在偏置。而該試驗再現的是兩輛相同重量且均以50 km/h速度相向行駛的汽車發生碰撞時的場景, 其碰撞產生的能量與64km/h速度的汽車與壁障碰撞產生的能量相當, 從而達到模擬的目的。不同NCAP體系中, 偏置碰撞測試項目差異如下圖所示。
▲ 2018版C-NCAP和歐美測試標準對比。
b. 側面柱碰項目
該測試再現的是駕駛員超速、彎道誤判, 或者在路面溼滑情況下由於打滑而對車輛失去控制時與路旁的樹幹、柱子等剛性物體發生碰撞。不同NCAP體系中, 側面柱碰撞測試項目差異如下圖所示。
▲ 歐美側面柱碰測試標準對比。
C-NCAP沒有將該項測試參與評分, 官方說法是考慮到中國與歐美不同的國情:中國城市中的路燈和電線杆基本上被路肩和綠化帶隔開, 汽車很難與其相撞;歐美國家從20世紀初便開始電氣化, 設立路燈和電線杆時沒有系統地進行規劃, 現在歐美國家城市。
我國新車評價規程自2006年建立以來, 極大推動了我國汽車安全技術的進步。C-NCAP不斷進行更新, 逐步增加測試內容、提高碰撞速度、壁障質量、改變傷害計算方式和評分比重, 使高星評分獲得更加困難, 提高汽車安全性能的區分度。但C-NCAP的版本更新時間為3年, 與E-NCAP和IIHS每年的模塊化更新相比, 時間跨度上略長, 對汽車安全技術發展趨勢的反應會有滯後, 也並不符合我國目前汽車工業的發展現狀。因此, 縮短更新週期、滿足日新月異的汽車安全技術進步是未來C-NCAP的發展要求。
1.2、NCAP在世界各國的發展概況
近年來, 汽車保有量的激增, 在給人們出行提供極大便利性的同時, 也帶來了汽車交通事故所引發的大量人員傷亡, 每年在汽車交通事故中死傷人數在數百萬以上, 僅從官方公佈的數據看, 僅在中國每年的汽車交通事故死亡人數也達7萬人左右。因此, 汽車安全已成為全社會關注的重要問題, 引起了世界各國政府的高度重視。為了減少交通事故傷亡率, 提高汽車對乘員的保護能力, 各國政府相繼制定了各種強制性汽車安全法規, 這些法規的出臺給汽車製造商提出了明確的技術要求, 使得製造商加大在汽車安全設計技術上的研發力度, 汽車安全性有了基本的保障。
然而法規畢竟只是市場準入的門檻性要求, 也是對汽車安全性最基本的要求, 隨著汽車安全技術的不斷髮展, 強制性安全法規已不能滿足人們對汽車安全所期望的要求, 為了更加直觀量化地區分汽車安全性能的優劣, 新車評價規程 (New Car Assessment Program, NCAP) 星級評價規程應運而生, 按照比法規更嚴格的方法對在市場上銷售的車型進行碰撞安全性能測試、評判和劃分星級, 並向消費者公開評價結果。NCAP的出現給汽車安全技術的發展注入了新的動力, 由於各個國家實際情況的差異, 使得各國的NCAP評價方法、試驗項目均有不同程度的差異, 並且隨著各國道路交通條件的變化以及車輛技術水平的提升, 各國也在不斷更新各自的NCAP測試項目與評價方法。下面針對國外主要NCAP測試評價技術的歷史、基本特點, 技術現狀以及最新的發展趨勢進行分析, 為大家指出汽車安全發展的關注點, 同時也為大家汽車選購參考。
美國是世界上最早研究並實施NCAP項目的國家。早在1979年就開始由美國國家公路交通安全管理局 (National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA) 牽頭組織實施新車評價規程US-NCAP, 它是世界上最早的NCAP體系, 在世界汽車安全史上具有非常重要的意義。最初僅有正面全寬碰撞一個測試項目, 發展到目前涵蓋正面碰撞、側面碰撞以及翻滾等多測試項目的評價體系, 2010年評價規程有了較大的變化。US-NCAP的實施, 不僅給消費者購車提供了權威且準確的車輛安全信息, 同時促動了汽車廠家提高汽車安全性能。由於US-NCAP的標杆作用, 世界各國也陸續開展各自NCAP評價規程的制定和實施。
自1993年後, 澳大利亞、日本、美國公路安全保險協會、歐盟、韓國以及拉美均推出了各自的NCAP評價規程。1993年, 澳大利亞與新西蘭政府聯合國家道路管理局、維多利亞州交通事故委員會 (VTAC) 、國際汽聯基金會 (FIA) 、NPRM保險協會以及汽車俱樂部等推出了A-NCAP, 試驗項目主要包括40%偏置碰撞、側面碰撞、側柱碰撞以及行人保護。日本於1995年由日本政府授權國家車輛安全以及受害者援助機構 (National Agency for Automotive Safety and Victim's Aid, NASVA) 推出J-NCAP。試驗項目最初僅有正面全寬碰撞試驗和制動效能試驗, 1999年增加側面碰撞試驗, 2000年增加40%偏置碰撞試驗, 2003年增加行人保護頭部碰撞試驗, 2009年納入追尾碰撞揮鞭傷害試驗, 2011年增加行人保護腿部碰撞試驗。
在美國, 除了由NTHSA頒佈的US-NCAP, 1995年美國公路安全保險協會推出了IIHS-NCAP, IIHS-NCAP與其他NCAP主要區別是不用星劃分, 而是將安全性能劃分為Good (良好) 、Acceptable (可接受) 、Marginal (允許的最低界限) 和Poor (差) 4個等級。IIHS-NCAP最初也僅有正面40%偏置碰撞試驗一個測試項目, 為了減輕追尾碰撞中乘員頸部傷害, 同年即展開了座椅頭枕幾何形狀的評價, 是世界上最早評價追尾碰撞中揮鞭傷害的NCAP規程, 2004年增加了側面碰撞項目, 並增加了基於碰撞臺車的後碰撞揮鞭傷害試驗, 2009年, IIHS開始增加車頂強度試驗以更好地促進車輛抗滾翻性能，後又嘗試增加25%小偏置碰撞測試。
Euro NCAP於1997年由法、德、瑞典、荷蘭、英國、盧森堡及西班牙7個歐洲國家政府牽頭, 聯合國際汽車聯合會、國際消費者研究與測試小組, 歐洲汽車俱樂部以及車輛保險修復研究中心共同發起推出的。Euro NCAP的測試項目主要包括40%偏置碰撞試驗和側面碰撞試驗, 隨後先後增加了行人保護試驗, 2009年開始增加追尾碰撞揮鞭傷害試驗, 2010年開始將側面柱撞列為正式評價項目, 並更新了評價規程, 將按成人保護、兒童保護、行人保護以及主動安全裝置四大測試內容劃分星級。通過近十餘年的發展, Euro NCAP已成為世界上很有影響力的汽車安全評價體系。
澳大利亞的A-NCAP於1999年起與Euro NCAP簽訂備忘錄, 使用與Euro NCAP相同的試驗與評價體系, 並共享試驗結果與數據。
韓國的K-NCAP於1999年推出, 試驗項目也由最初的正面全寬碰撞發展到如今包括正面全寬碰撞、40%偏置碰撞、側面碰撞、側面柱撞、揮鞭傷害、行人保護以及抗翻滾與制動效能等試驗。
2010年, 在Euro NCAP、FIA (國際汽聯) 、FIA Foundation (FIA基金會) 、ICRT (國際消費者研究與試用組織) 、GRMF (Gonzalo Rodriguez基金會) 與IDB (美洲開發銀行) 的支持下, 正式成立Latin NCAP, 目前其試驗項目僅有正面40%偏置碰撞, 假人及評分規則與Euro NCAP一致, 沒有統一的星級, 只是針對成人保護和兒童保護2個項目單獨評價。
儘管都是NCAP, 但是由於各國道路交通條件不同以及車輛安全技術的差異, 使得試驗和評價方法也不盡相同。就主要碰撞形式而言, 上述的NCAP大致可以分為3類:
第一類是在美國實施的US-NCAP, 它的正面碰撞採用固定的剛性壁障, 通常只評價前排乘員傷害, 側面碰撞採用63°斜角碰撞, 通常評價撞擊側前後排的乘員傷害情況;
第二類是以Euro NCAP為代表的, 其正面碰撞採用汽車以40%重疊率撞擊在可變形蜂窩鋁壁障結構上, 它不僅對前排乘客進行評價, 而且對位於後排位置的兒童乘員也進行評價;側面碰撞採用90°垂直碰撞 (含柱碰撞) , 通常評價撞擊側駕駛員乘員的傷害情況;
第三類是綜合借鑑前兩種試驗方法, 分別採用正面全寬剛性壁障試驗以及正面偏置碰撞試驗, 另加上一種側面碰撞形式, 這樣碰撞形式就更加完整, 具有更好的綜合評價性, 不僅考核了車身的結構安全, 同時也考核了約束系統匹配的效果。這一類如日本J-NCAP, 中國C-NCAP以及韓國的K-NCAP。
除了上述3種主要碰撞形式外, 不同NCAP在試驗項目上也各有側重, 如美國US-NCAP、IIHS-NCAP以及韓國K-NCAP均有評價車輛抗翻滾性能的測試項目, 而沒有行人保護、兒童保護、等測試項目, 而Euro NCAP、J-NCAP均有行人保護與兒童保護、揮鞭傷害等試驗項目, 卻無評價車輛抗翻滾性能的測試項目, C-NCAP更是結合自己的國情, 率先在後排增加乘員傷害評價。
縱觀NCAP在各國的發展歷史, 可發現其在發展過程中具有如下特點:
1) 試驗由初期單一形式逐步完善, 考核項目越來越全面。
尤其是最早開展NCAP的國家, 評價項目已從被動安全擴充至主動安全範疇。較晚開展NCAP的國家, 初期評測項目較為完善, 但隨著車輛安全技術的發展以及原有評價體系區分度的下降, 也逐步增加了不同形式的測試項目, 使得安全評價系統更加完整。
2) 試驗項目、評分標準與各自國傢俱體情況結合緊密。
如美國道路交通事故調查表明, 動態滾翻是發生在美國交通事故的一種常見形式, 因此US-NCAP具有動態翻滾評價項目;日本國家政策司的統計結果表明, 發生在日本的行人碰撞致死事故中, 60%以上是因為行人的頭部受傷, 因此J-NCAP行人保護只有頭部保護項目;而在中國, 汽車後排乘座率高一直是中國汽車的使用特點, 且後排乘員受傷概率是前排乘員的3倍, 死亡概率更是增加5倍, 因此C-NCAP將後排乘員保護納入評價規程中並逐步強化。
3) 即便是相同的試驗項目, 所評價的部位和評價的指標, 不同NCAP也有可能不同。
例如, 在正碰試驗中假人頭部傷害評估中, Euro NCAP採用HIC值和頭部累計3 ms加速度值作為衡量頭部傷害情況的指標, 而J-NCAP僅採用HIC值衡量受傷情況。
4) 不同NCAP在整體評價中, 不同試驗形式會有不同的權重。
如US-NCAP對於正碰、側碰、以及滾翻試驗的權重設置為5:4:3, C-NCAP則對於正碰、偏置、側碰權重設為1:1:1, Euro NCAP則按不同試驗形式下將成人乘員、兒童乘員、行人保護、輔助安全裝置權重設置為5:2:2:1。這些測量部位、評價標準以及評測權重上的差異均與各自國家的道路交通情況、車輛技術情況、使用特徵等具體情況密切相關。
1.3、NCAP 未來發展趨勢
a. NCAP將逐步納入主動安全範疇。
隨著主動安全技術的逐步完善以及相關技術的工程應用, 各國NCAP從最初的被動安全評價, 都逐步擴展到主動安全評測範疇, 歐、美、澳等國家均已著手研究相關避撞技術的試驗評測方法與評價技術。如Euro NCAP對裝備有安全輔助裝置的車輛進行加分, 如電子穩定性控制 (ESC) 、限速裝置 (SLD) 、安全帶提醒裝置 (SBR) , 並在2013年以後的評價程序更新計劃中, 增加了中、高速後碰撞中自動緊急制動系統 (AEB) 評價內容, 以及關於車道偏離預警 (LDW) 與車道保持輔助系統 (LKD) 安裝要求, 分數也由目前的7分增加至13分, 並將主動安全輔助裝置權重由原來的10%提高至20%;NHTSA目前也在研究增加車道偏離預警 (LDW) 、前向碰撞預警 (FCW) 和電子穩定性控制 (ESC) 評價項目;澳大利亞A-NCAP自從2008年以來, 規定獲取5星評價的車輛必須安裝ESC。
綜上, NCAP的發展趨勢是逐步納入並加大主動安全在評測中的權重, 目前引入安全輔助技術的重要挑戰是如何開發通用的有效的測試評價程序, 包括簡單的功能測試與複雜的路面性能試驗。
b. NCAP評價項目將更加全面、更加苛刻。
NCAP的推出, 極大推動了汽車安全技術水平的提高, 為了促進汽車安全技術水平的進一步提高以及保持NCAP對汽車安全評價的區分度, NCAP評價規則也只能水漲船高, 因此使得評價項目越來越全面、涵蓋了正面碰撞、側面碰撞、追尾碰撞、行人保護等碰撞形態, 通過被動安全技術到主動安全裝置設計實現了對車內外乘員保護越來越高的要求。諸如IIHS，各國NCAP增加25%小偏置碰撞試驗。
c. NCAP評價將趨於全球化、同一化。
儘管目前各國NCAP評價項目在試驗形式以及碰撞試驗假人選取以及評分標準都不盡相同, 但從目前發展趨勢來看, 各個NCAP組織之間也在相互借鑑、相互協調。如C-NCAP最早開始使用Hybrid III 5th女性假人。隨後美國、歐洲、日本也在其評價規程中增加了相關內容。而C-NCAP也將40%偏置碰撞的碰撞速度提升至與Euro NCAP一致。歐洲也將於2015年增加正面全寬碰撞試驗。以及US-NCAP也會在不遠的將來開始增加主動安全技術的評測。此外, 從評星方法來看, 各個國家目前也都採用了一個綜合的安全評價作為車輛安全的整體評價。隨著Global-NCAP的推出, 預計將在不久的將來, 其將會更好地協調各國NCAP在試驗項目以及評價標準實現全球化、同一化。
2、車身結構中的材料學及力學知識科普
在現實世界中發生的重大汽車碰撞事故中, 有一類正面碰撞形式——正面小重疊碰撞。據美國汽車工程協會統計, 正面小重疊碰撞發生概率佔所有正面碰撞形式的24%, 而全正面碰撞只佔6%, 而且正面小重疊偏置碰撞致死率很高, 大約佔正面碰撞死亡事故的1/4。而此類正面小重疊碰撞工況未被包含在各種汽車碰撞安全的國家法規和新車安全評估系統中。正是由於正面小重疊碰撞工況的重要性, IIHS為幫助車輛進一步提升正面碰撞保護性能, 於2012-08-14發佈了一項新的測試工況——正面25%重疊碰撞試驗。
想當年，在 IIHS公佈的首批正面25%重疊碰撞測試結果中，11款中等豪華車型在其它測試工況評價下都獲得一個較高的安全評級, 但在正面25%重疊碰撞中的測試結果並不理想, 只有2款車獲得了Good評級, 1款車獲得了Acceptable評價, 而多達4款車獲得了Poor的評級, 具體測試結果見下圖。
▲ IIHS正面25%重疊碰撞第一批測試結果。
下面以兩個國內消費者較熟悉的代表車型：沃爾沃S60及奧迪A4為例：
▲ S60 25%碰撞測試結果。
沃爾沃S60在車輛結構 (如上圖所示) 和假人傷害值方面表現都很出色, 只是在約束系統/假人運動學方面存在一些問題。在測試中, 假人頭部接觸駕駛員氣囊後向外側滑動, 但氣囊與氣簾之間有一個間隙(此間隙是由於駕駛員氣囊形狀不規則並且Y向很窄, 同時側氣簾未延伸至A柱造成) , 不能給頭部完全的保護, 使其與A柱和車門有硬接觸的風險, 因此約束系統/假人運動學得到了Acceptable的評級, 但總的評價進過加權後得到Good的評級。
▲ A4 25%碰撞測試結果。
奧迪A4三項測試成績均得到Poor的評級。車輛結構——乘員艙由於A柱、前圍板的侵入變形嚴重 (如上圖示) , 擱腳空間侵入量達到280 mm, 儀表板侵入250~280 mm, 轉向管柱後移量130 mm。約束系統/假人運動學——在測試中, 假人的頭部接觸駕駛員氣囊但向外側滑出, 使得頭部有與車門和A柱硬接觸的風險，同樣胸部得到來自安全氣囊很少的保護。出現這種情況, 某種程度上是因為轉向管柱向右移動180 mm, 而假人向左運動。側氣簾展開並有效地向前覆蓋保護頭部免於與側面結構硬接觸。側氣囊未展開, 導致胸部極易與側面結構發生碰撞。駕駛員側車門在碰撞中打開, 有將駕駛員甩出車外的風險。假人傷害值——假人傷害值顯示左側大腿及髖部在碰撞中受到極其嚴重的傷害, 其它區域傷害值很小。綜上所述, A4只得到Poor的評級。
為什麼在其他測試工況中都能取得好成績，但在25%碰撞測試中卻滑鐵盧呢？眾所周知在40%重疊偏置碰撞中, 車身的傳力通道包括上邊梁、縱梁和副車架共3條, 而在正面25%重疊碰撞中主要考察的是縱梁不起作用的碰撞工況, 所以車身傳力通道只有上邊梁一條。A柱、門檻發生較大折彎, 縱梁前段變形吸能中段折彎, 地板相對來說較完整。
▲ 25%碰撞測試中主要車身結構和障礙物相對位置。
▲ 正面25%重疊碰撞傳力通道。
為此，如果在25%偏置碰撞中要取得較好的成績，根據車身變形情況以及車身關鍵部位變形結果, 從兩方面進行車身結構優化, 首先要增加傳力通道,將碰撞力向車身後方和非碰撞側傳遞, 保證傳遞路徑暢通;其次是提高乘員艙剛度, 保證在力的傳遞過程中乘員艙穩定, 具體方案如下圖所示。
▲ 25%碰撞優化思路。
1) 增加縱向傳力通道——設計車門腰梁結構;
2) 增加橫向傳力通道——設計前圍板橫樑;
3) A柱、B柱和門檻梁採用高屈服強度的材料，進而提高乘員艙框架的整體穩定性。
通過以上分析可知, 現有在售車型在小重疊工況下表現較差，不僅僅是差在A柱的用料上，而是車身結構設計不合理，通過對車體結構傳力通道和關鍵部件選材兩方面進行優化後, 車輛的整體評級由提升為Good其實並不困難。因此, 在後期車輛安全性能開發過程中, 主機廠應該充分考慮小重疊工況, 尤其是在車輛標定過程中加入此種工況，諸如像帕薩特、菲斯塔、思域等車型還是可以搶救的。
3、汽車車身結構設計及材料應用發展趨勢
隨著汽車保有量大幅增長, 全球汽車已超過10 億輛。汽車已成為世界能源消耗和汙染物排放的主要來源。各發達國家均制訂了嚴格的法規來限制汽車燃油消耗和溫室氣體的排放, 我國也發佈了油耗強制性國家標準——《乘用車燃料消耗量限值》，並且不斷通過排放標準的提升來增高准入門檻 。
研究表明, 汽車輕量化是降低能耗、減少排放的最有效措施之一。例如汽車每減少100kg, 可節省燃油0.3~0.5 L/ (100 km) , 可減少CO2排放8~11 g/ (100 km) 。因此, 自20 世紀90 年代以來, 許多大型研究計劃積極推動了汽車輕量化技術的研究, 如美國的新一代汽車合作伙伴計劃 (partnership for new generation of vehicles, PNGV) 計劃、國際鋼鐵協會組織的超輕鋼製車身 (ultra light steel auto body, ULSAB)和超輕鋼製車身—先進概念車型 (ultra light steel auto body-advanced vehicle concepts, ULSAB-AVC) 研究計劃等。
此外, 實現汽車的輕量化, 還有利於改善汽車的動力性、舒適性和操縱穩定性。雖然都是質量的下降，但輕量化絕非消費者眼中的偷工減料，不過兩者有什麼差異呢？下文分解。
3.1、汽車的偷輕不是像想象中那麼簡單
汽車輕量化本質上是一個多學科設計優化 (multidisciplinary design optimization, MDO) 問題。例如, 對車身進行輕量化設計時就需要同時考慮多個學科性能, 如剛度、強度、舒適性、碰撞安全性、疲勞等。理論上講, 為了獲得全局最優解, 在進行輕量化優化設計時需要同時考慮所有學科的影響。但由於各個學科的建模和計算的工作量很大、各學科響應函數的性質各不相同 (線性、非線性、多峰、噪音等) 、對學科變量的選擇也不同, 目前還很難在一次優化中全部考慮。若只考慮部分學科性能, 則有可能所獲得的優化解無法滿足另外學科的要求, 還需要經過多輪修改才能找到一個滿足各個學科性能要求的妥協解。
▲ 白車身設計中的拓撲優化。
拓撲優化技術在白車身開發過程中的應用，見上圖 , 最終減輕質量10%。該優化模型以杆梁Boole (布爾) 值為設計變量, 以整車質量最小、整車扭轉剛度最大和最大應力最小為優化目標, 並根據客車車身的對稱性要求和車身骨架的生產要求, 在拓撲優化模型中考慮設計空間的對稱性和一致性約束。最終獲得的拓撲優化方案, 在剛度稍有增加、應力略有下降的情況下, 整車質量減少近90kg。由上可見，車身結構的輕量化絕非簡單的拆除和補強，需要綜合車輛的整體設計，一輛量產車的結構輕量化過程也絕不是各類汽車改裝&翻修節目中那樣信手拈來。
3.2、相比顯而易見的結構優化，材料的進化論更不易察覺
除了上述的結構優化設計之外, 輕量化材料的開發和應用是當前汽車輕量化技術另一主要研究方向。輕量化材料的研究是目前國際上材料領域最活躍的研究方向之一。美國的PNGV計劃中明確提出:選用輕量化材料 (高強度鋼、鋁、鎂、鈦合金、塑料及複合材料) 來實現汽車輕量化, 並把先進輕量化材料作為急需開發的技術領域。PNGV-Class樣車車身全部採用高強度鋼, 質量只有218 kg, 與全鋁車身相當。在輕量化材料的使用方面, 用先進高強度鋼和鋁、鎂合金替代普通鋼來製造汽車主要承載構件已成為一個發展趨勢。高強度鋼已大量應用於汽車車身、底盤、懸架和轉向零件上。另外, 為了滿足車輛結構的碰撞安全性要求, 而又不增加額外的質量, 泡沫鋁、編織複合材料等性能優越的新型吸能材料被應用於車輛結構中。這也正是目前國際上學術界和工程界的一個熱點研究領域, 即"超輕材料和超輕結構 (ultralight materials and ultralight structures) "。
a. 高強度鋼
高強度鋼的強化機理主要有固溶強化、析出強化、組織強化、烘烤硬化和細晶強化;按強度可分為高強度鋼 (HSS, σy> 210 MPa) 和超高強度鋼 (UHSS, σy> 550 MPa) ;按冶金學特徵可分為普通高強鋼 ( 包括C-Mn鋼、 高強度IF鋼、BH鋼、IS鋼和HSLA鋼) 和先進高強鋼 ( 即AHSS, 包括DP、CP、TRIP、M和HF) 。AHSS是通過材料的相變來達到高強度的。與深拉鋼和傳統低合金高強度鋼相比, AHSS具有更大的屈服強度, 因而可大幅度減少車身結構中的附加支撐件、加強梁和嵌套截面, 採用更少的部件和更薄的板料, 因而有效減輕車身質量。在抗碰撞性能、耐蝕性能、疲勞性能和成本方面, AHSS較其他材料仍具有較大的優勢, 因此是今後最主要的汽車輕量化材料。如ULSAB-AVC項目研製的概念車中97% 的材料為高強度鋼, 其中AHSS佔80% 以上, 結合先進的製造工藝, 使車身減小質量達20%~30%。目前, AHSS已成為新型汽車輕量化材料的研究熱點。
在AHSS中最常用的是雙相鋼 (DP) 。雙相鋼主要由鐵素體和馬氏體構成, 馬氏體以島狀分佈於鐵素體基體中, 含量在5%~20% 之間, 強度隨馬氏體含量的增加而提高 (0.9~1.2 GPa) 。雙相鋼具有較高的伸長率以及較高的加工硬化率, 抗疲勞性能好。目前雙相鋼的主要類型有DP450、DP600、DP780 和DP980, 主要用於汽車的結構件和安全部件, 如前內縱梁、後內縱梁、中支柱裡板、座椅橫樑等零件。法國阿塞洛、瑞典SSAB和日本新日鐵、神戶制鋼等鋼廠可以生產多種規格的雙相鋼;國內寶鋼、武鋼和鞍鋼也可以提供一些規格的雙相鋼。復相鋼 (CP) 強度可達0.8~1.0 GPa, 特別適合於汽車的車門防撞杆、保險槓和中立柱等安全零件。相變誘導塑性鋼 (TRIP) 在汽車行業尚沒有得到大規模應用。熱成形鋼 (HF) 是通過熱成形技術獲得超高強度的馬氏體鋼, 強度可達1.5 GPa, 主要用於車門防撞杆、前後保險槓、A/B/C柱等安全件。熱成形鋼技術在國外發展迅速, 法國阿賽洛公司、德國蒂森-克虜伯等公司均擁有熱成形技術及成套生產線。總體上看, 目前國內鋼鐵企業可以提供一些規格的高強度鋼板, 不過從品種與質量來看, 與國外的先進水平還有較大的差距。
▲ 鋼鐵材料延伸率與拉伸強度相圖。
不過，隨著AHSS應用的增多, AHSS部件中的特殊斷裂問題陸續被報道。這是由於不同鋼種的延伸率通常隨強度增高而下降。隨著強度的增加, 高強度鋼衝壓性能變差、回彈量大、尺寸難以控制;而且, 高強度鋼的可焊性比普通低碳鋼要差, 焊接工藝參數存在較大差異。為了開發力學性能和加工性能更好的高強度鋼, 國外的一些鋼鐵公司正在積極開發第二代高強度汽車用鋼, 如孿晶誘導塑性鋼 (TWIP) 、具有誘導塑性的輕量化鋼 (L-IP) 。這些鋼種具有非常高的應變硬化率和極高的塑性。而第三代高強度汽車用鋼 (見上圖) 也在研發之中。在高強度鋼的應用方面, 國內汽車合資企業的技術直接來源於國外母公司, 高強度鋼應用水平與國外汽車企業相近。自主品牌汽車企業在高強度鋼的應用方面整體落後於國外汽車公司, 但有了可喜的進步。國內自主品牌的一些新車型的白車身中, 高強度鋼的比例已經到達45%以上。當然, 從高強度鋼部件的結構設計到加工工藝, 都還有很大的進步空間。
b. 鋁合金（鎂合金等輕金屬合金）
鋁合金與鋼鐵相比, 具有質量輕、耐腐蝕性好、易於加工等特點, 是應用較早且技術日趨成熟的輕量化材料。根據國際鋁協統計, 2006 年每輛轎車的鋁合金平均用量為121 kg, 約佔整車質量的10%，預計到2020 年將達到180 kg。當前汽車用鋁合金主要是鑄鋁、鍛鋁、鋁板材和鋁型材。隨著快速凝固鋁合金、粉末冶金鋁合金、超塑性鋁合金、鋁基複合材料和泡沫鋁材等新材料的開發與應用, 未來鋁合金在汽車中的應用範圍將進一步擴大。
▲ 國際鋁業協會統計和預測的每車鋁合金用量。
目前汽車用鋁合金中, 鑄鋁佔最主要部分, 約佔汽車用鋁量的80%, 主要用於製造發動機零部件、殼體類零件和底盤上的其他零件。現已大批量應用的零件有發動機缸體、缸蓋、離合器殼、保險槓、車輪、發動機托架等幾十種零件。鍛造鋁具有更好的力學性能, 在汽車上也有應用, 如鍛造鋁車輪、橫向轉向叉已應用於奧迪的A8、A4 等車型。變形鋁合金, 如鋁板、鋁型材從上世紀80 年代開始用於車身發罩外板、前翼子板、頂蓋, 後來用於車門、行李箱蓋板、保險槓、車廂底板結構件、熱交換器甚至全鋁車身等。汽車車身鋁合金板材主要有3 個系列, 分別為2XXX系、5XXX系和6XXX系。目前, 很多國外車型，如奧迪A2 和A8、福特Prodigy、本田NSX、捷豹XJ等, 均採用全鋁車身。制約鋁合金板材在汽車身大量應用主要因素有:鋁材的性能和工藝尚需提高和改進;價格太高;另外, 在維修方面, 能夠提供鋁製車身修復服務的修理廠很少, 增加了使用成本。採用鋼、鋁混合車身是一個折衷的方案。例如, 寶馬5 系車身採用了鋁合金前端 ( 主要為發動機罩) , 在減重的同時, 還可以平衡車身前後配重以提升操控性。
▲ 鋁合金前端結構能夠在保證碰撞安全的同時給車輛前端減重。
除了鋁之外，鎂作為目前工業應用材料中最輕的一種金屬, 同時具有很高的比強度和比剛度, 而且鎂資源非常豐富，鎂合金被公認為最有發展前景的汽車輕量化材料。早在1936 年, 大眾汽車公司生產的"甲殼蟲"汽車, 其曲軸箱、傳動箱殼體採用了鎂合金。1982 年, 隨著鎂合金防腐性能的提高和價格的下降, 福特汽車公司再次將鎂合金用於離合器、變速箱、轉向柱、制動系統等各類殼體零件上。到上世紀90 年代末, 鎂合金用量快速增長。近幾年, 轎車上鎂鑄件的應用以每年20% 的高速增長, 已有超過60 多種的鎂合金零部件在汽車上得以應用, 如方向盤骨架、變速器箱體、離合器外殼、發動機閥蓋、缸蓋、座椅骨架、儀表板、進氣岐管、車輪、車門框架等, 其中絕大部分構件是通過鑄造方式生產的。壓鑄成型和防腐蝕工藝已日趨成熟。不過由於鎂合金為密排六方 (HCP) 晶體結構, 常溫下的變形機制除了其他金屬中常見的位錯滑移外, 還包含HCP晶體結構特有的孿生模式, 由於孿生變形模式存在極性, 因而鎂合金會表現出明顯的拉伸與壓縮力學性能的差異性, 即拉壓非對稱性；另外, 變形鎂合金中存在明顯的織構現象, 導致其力學性能呈各向異性。同時, 其力學性能還具有明顯的應變率相關性。這種各向異性、拉壓非對稱性和應變率敏感性等特性也增大了鎂合金結構件設計的技術複雜性。特別是變形鎂合金與傳統的低碳鋼相比韌性較差, 在結構受到衝擊時, 容易發生脆性斷裂。變形鎂合金的特殊力學行為給鎂合金在汽車結構件中的應用帶來了挑戰。高性能變形鎂合金的開發、力學性能研究及其在汽車結構件中的應用, 將是未來的重點研究方向。
c. 塑料及複合材料
塑料及纖維複合材料在汽車工業中的應用日趨廣泛, 使用量持續增長。從1977 年到2001 年, 單車塑料用量由76 kg提高到115 kg, 增幅達50%, 2013年則已經超過了150 kg 。佔汽車總質量的12%~20%。1986 年, 歐洲就推出Carmat新材料計劃, 6 個國家14 個汽車公司參加, 探索了塑料、複合材料在汽車車身上的應用。汽車用塑料按類型分為通用塑料、工程塑料和特種工程塑料。各種塑料在汽車上的用量所佔比例見下圖。
▲ 統稱為塑料，但它們還是各自有別的。
複合材料 ( 如玻纖增強熱塑性複合材料、長纖維增強熱塑性複合材料、碳纖增強複合材料) 在汽車零部件上的應用顯示出越來越強大的生命力。玻璃纖維增強熱塑性複合材料 (GMT) 在汽車工業中的應用達40 多種, 主要有座椅骨架、保險槓、儀表板、發動機罩、電池托架、腳踏板、前端、地板、護板、後牽門、車頂棚、行李托架、遮陽板、備用輪胎架等部件。GMT的基體材料通常為聚丙烯 (PP) 。目前以聚碳酸酯 (PC) 和聚醚酰亞胺 (PEI) 作為基體的低密度GMT產品正在開發應用之中。長纖維增強熱塑性複合材料 (LFRT) 主要應用在保險槓、行李倉底板、蓄電池槽、車門、車身、座椅靠背、備胎架、發動機底座、儀表盤等。碳纖維增強複合材料有足夠的強度和剛度, 適於製造汽車車身、底盤等主要結構件。預計碳纖維複合材料的應用可使汽車車身、底盤減輕質量40~60%。寶馬2013 年量產的i3 純電動汽車, 外殼材料為碳纖維增強複合材料、底盤材料為鋁合金, 比傳統同類型汽車的減輕質量250~350 kg。另外, 編織複合材料在碰撞過程中以基體開裂、分層、纖維斷裂、拔出等多種形式吸收能量, 具有比金屬材料更高的吸能比。不過，由於成本過高, 纖維增強複合材料在汽車中的應用仍然有限, 僅在高級及小批量車型上有所應用, 如寶馬的M3 系列車頂蓬和車身, 福特的GT40 車身、保時捷911 GT3 車身等。在車用纖維複合材料研究方面, 低成本碳纖維生產工藝和碳纖維複合材料的回收是其大量應用需要解決的首要問題。
3.3、除了結構優化，材料進化，工藝的迭代也不容小覷
▲ 神車Golf 5代，作為一代神車，在工藝上就主打激光焊接牌。
在大量採用高強度鋼、鋁鎂合金、塑料和複合材料等輕量化材料和結構來實現汽車輕量化的同時, 與之相匹配製造工藝也得到了應用, 如用於高強度鋼板衝壓件的熱衝壓成形工藝, 用於車身結構連接的膠接和膠焊工藝等。熱衝壓成形將板料在紅熱狀態下衝壓成形並同時在模具內冷卻淬火, 可以成形強度高達1.5GPa的衝壓件;膠接工藝用於塑料和複合材料部件的連接, 如寶馬最近量產的寶馬 i3 純電動汽車的採用膠接工藝進行復合材料車身部件的連接, 每輛車使用約10 kg的強力膠。而另一方面, 一些新型成型和連接工藝, 如液壓成型、激光焊接、激光拼焊等可以顯著減輕汽車結構的質量, 比如轎車副車架原來用衝壓焊接工藝生產, 需數十個衝壓件焊接在一起, 而採用液壓成型技術只用一個零件, 質量由12 kg變為7.9 kg, 減少34%。因此, 液壓成型、激光焊接等先進工藝得到了廣泛應用, 成為汽車輕量化技術的重要部分。
3.4、"偷工減料"絕非一件容易的事
綜上：各種輕量化技術是相輔相成的, 充分發揮不同輕量化手段的優勢, 研究汽車材料選擇、結構設計和工藝設計即輕量化技術的系統化和集成化, 依然是未來汽車結構輕量化技術的發展方向。在結構優化設計方面多學科、多目標優化設計方法，拓撲優化方法, 還有待進一步發展和完善。在輕量化材料的應用方面：衝壓變形鎂合金、新型塑料和纖維增強複合材料具有較大的應用潛力；另外, 由於單一材料難以最大程度地滿足汽車結構的輕量化要求, 研究多種材料混合結構的設計理論、方法和相應工藝, 不同部位採用不同的材料, 充分發揮各種材料的優勢, 可以實現選材與零部件功能的最優組合, 這種多材料一體化設計理論和方法將成為未來汽車輕量化的實現手段。在工藝研究方面:液壓成型、激光焊接將得到更為廣泛的應用, 熱成形工藝和變厚度板的應用將得到進一步發展。此外, 零部件的輕量化將得到重視。目前汽車輕量化技術的研究多以車身結構為主, 而零部件的總質量約佔整車整備質量的3/4, 具有很大的輕量化潛力，因此, 零部件如車橋、懸架、動力系統（的電池系統）等的輕量化研究將會得到進一步重視。
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