汽车轻量化不仅对节能减排和实现“碳达峰”与“碳中和”目标至关重要，还是提升汽车经济性、动力性和制动性能的重要手段。然而，这一目标的实现受到车身结构NVH特性和抗撞性的多重制约。鉴于车身质量在汽车整备质量中占比高达30%-40%，车身轻量化是汽车整体轻量化的重要组成部分，多材料的结合将成为未来发展的方向。未来，高强度钢、铝合金、碳纤维复合材料等高强轻质材料的混合使用，将成为车身轻量化的主要发展方向。但多材料车身轻量化的正向开发极具挑战性，它涵盖了零部件选材、车身梁骨架的概念设计以及异种材料的连接等多个复杂领域，且目前尚缺乏一套系统化的设计方法。因此，选材的合理性、车身梁骨架的概念设计，以及其结构、连接与性能之间的优化匹配，成为了多材料车身正向开发过程中的关键技术难题，也是当前的研究热点与难点所在。
02、有限元模型建立与分析
▍对标车有限元模型
在汽车轻量化进程中，多材料车身的轻量化选材显得尤为关键。为了深入研究这一问题，我们选择某小型乘用车车身为研究对象，并进行了全面的有限元建模与分析。通过建立有限元模型和实车试验验证，分析小型乘用车的碰撞性能。我们以某量产小型乘用车为对标车，建立了其钢制白车身的有限元模型，并进一步搭建了整车100%正面碰撞与侧面碰撞的有限元模型。这些模型的准确性对于后续的分析至关重要，因此我们通过实车碰撞试验对所建模型进行了严格验证。
▍仿真分析
在确保模型准确性的基础上，我们进行了对标钢制车身的多方面仿真分析。这些分析涵盖了弯曲刚度、扭转刚度、一弯一扭模态频率以及正碰与侧碰结构抗撞性能等多个关键指标。边仿真实车模态频率和刚度等性能，指导多材料车身的研发，这些性能指标不仅对于后续多材料概念车身的正向研发具有重要指导意义，还能全面揭示对标钢制车身在各种工况下的力学性能表现。
03、轻量化选材决策方法
▍结构力学性能驱动法
针对多材料车身的轻量化选材问题，利用结构力学性能的评估来驱动选材，为多材料车身的轻量化确定科学依据。我们提出了一种结构力学性能驱动的选材决策方法。该方法以结构力学性能为驱动，通过构建包括材料性能评估、结构优化设计以及连接工艺选择等在内的多材料选材决策流程，为多材料车身的轻量化设计提供科学的选材依据。
▍轻量化材料指数
建立基于结构力学的轻量化指标，关联结构和材料特性。我们深入探讨了车身薄壁梁在不同变形状态下的力学特性，特别是线弹性小变形与塑性大变形的情况。通过数值解析方法，我们研究了结构弯扭刚度、弯扭强度、轴向平均压溃力、横向失稳弯矩或失稳力等多项力学指标与结构质量、断面形态、尺寸参数以及材料特性之间的内在联系。在此基础上，构建了六种以结构力学性能为导向的轻量化材料指数，并结合材料成本，形成了综合的选材决策框架。
▍层次分析与灰色关联分析
运用层次分析和灰色关联度确定材料，科学指导材料选择。我们提出了结合层次分析与模糊层次分析的车身轻量化选材质量功能展开赋权方法。通过灰色关联分析对车身零部件备选材料的综合性能进行多准则决策，以确定最佳的车身零件材料。
04、车身梁骨架概念设计
▍概念设计方法
通过多材料梁骨架的设计模型，实现车身轻量化。我们提出了一种多材料车身梁骨架的概念设计方法。首先，我们建立了概念车身梁骨架的简化结构有限元模型，然后结合先前提出的选材决策方法，实现了概念车身梁骨架各部位零部件的轻量化选材。
▍多层次优化设计
通过一系列多层次递进式的断面匹配转换与优化工作，我们采用分层优化设计，逐步提升梁的性能和形状。在不同的优化层次中，我们优化了概念车身薄壁梁的简化断面设计，改进了薄壁梁的复杂断面形状，并通过比例向量控制的复杂断面精细优化方法，实现了复杂断面的轻量化优化设计。
▍协同优化
在完成多材料概念车身梁骨架的初步设计后，我们进一步对其结构、连接方式和性能进行了全方位的协同优化。优化结构、连接与性能间的协调，使用AHP-TOPSIS法选择最优解。通过协同优化，概念车身梁骨架在弯扭刚度、模态频率等关键性能指标上均取得了显著的提升，同时质量大幅降低，轻量化效果显著。
经过这一系列的优化措施，并结合实验与仿真的结果，我们验证了概念车身梁骨架设计的可行性与优化策略的有效性，为多材料车身的轻量化设计提供了坚实的技术支撑和实践基础。
