行业轻量化共性技术期待进一步突破
    国内轻量化发展状况如何呢？“经过汽车轻量化技术创新战略联盟成员与伙伴单位以及相关产业同仁十余年来的不懈努力，我国汽车轻量化技术，尤其是共性关键技术领域取得了重大进展，自主品牌乘用车整备质量同比10年前平均下降了5%-8%；部分商用车整备质量降低了3%以上”，作为轻量化联盟专家委员会主任，这是让亲历中国汽车轻量化技术发展的王登峰教授欣慰的成果。这些进展为汽车节能、减排、降耗做出了重要贡献。谈到国内轻量化技术现状时，王登峰教授指出：“国内在一些新型轻量化材料研发、结构设计和成形工艺方面已经跻身国际先进水平行列，与国际一流水平相比出现“并跑”格局，少数先进技术甚至达到“领跑”的态势。”
    更重要的是，汽车零部件和整车企业也从原来的不太关注轻量化技术，发展成为把汽车轻量化作为产品研发的重要技术指标进行管控，纷纷建立了轻量化产品开发流程与技术规范，形成了从事汽车轻量化研发的专业技术团队，并通过产学研合作突破了一些企业急需的轻量化关键技术，建立了汽车轻量化自主研发能力，使所研发的新车型轻量化技术水平显著提高，取得了明显的技术进步。
    王登峰教授同时指出：国内轻量化取得的业绩可喜，但随着我国汽车轻量化技术的快速、深入发展，需要进一步深入研发的轻量化共性技术关键点有以下几个方面：
    1.适合汽车行业应用的纤维增强复合材料研发和推广应用
    大家知道，纤维增强复合材料，尤其是连续纤维（碳纤、玄武岩纤维等）增强复合材料以其质轻、比强度和比刚度高、阻尼减振特性好、抗冲击能力强，零件可设计性强、集成度高等优势备受青睐。但是由于上述纤维增强复合材料在汽车领域里的应用基础相对薄弱，汽车领域复合材料人才缺乏，加之纤维增强复合材料具有强各向异性的特点，材料和零部件供应链体系尚未形成，还不能满足汽车产品轻量化研发的需要，给其推广应用带来了一些困难。
    目前需要研究的共性关键技术有：在原材料方面，适合汽车行业需要的低成本、大丝束碳纤维材料与性能优异的热塑性树脂的研发和生产，热塑性预浸料的量产，另外还缺少纤维增强复合材料静态力学性能数据，以及不同应变速率下、不同加载方向材料应力—应变关系动态性能数据；在成型技术方面，需要高效、高质量和高精度适合量产的零部件快速成形方法；在结构设计方面，基于性能驱动的零件结构铺层设计方法、零部件减量和集成设计方法；在零部件性能分析与评价方面，连续纤维增强复合材料复杂零部件的有限元建模、性能分析与仿真评价方法尚不成熟，还不能满足行业产品研发的需要。
    上述技术关键点是纤维增强复合材料在汽车轻量化领域难以推广和应用的主要问题。值得特别注意的是，为了解决碳纤维增强复合材料成本高、难以在自主品牌经济型汽车上应用的问题，像BMW i7 B柱在在金属结构的关键部位局部附加碳纤维增强复合材料，构成复合结构的做法，既能充分发挥碳纤维增强复合材料的特点和作用，又能减少用量、起到画龙点睛的作用，还可降低使用成本，是碳纤维增强复合材料在自主品牌汽车上推广应用的发展方向。
    2.乘用车底盘零部件轻量化技术研发
    目前我国自主品牌轿车车身用高强度钢平均占比已超过50%，个别车型甚至达到70%，铝、镁合金和工程塑料在车身结构件上的应用比例也越来越大，车身结构轻量化技术发展迅速，白车身结构质量明显降低，车身轻量化系数显著减小。但在悬架、转向等底盘关键零部件轻量化技术研发方面却相对滞后，进展较慢。主要表现在底盘零部件轻量化研发中的一些共性关键技术尚待突破：一方面，底盘关键零部件在汽车服役和用户使用过程中的疲劳载荷谱数据缺乏，零部件工作中的疲劳载荷不能有效、精确地确定；另一方面，基于疲劳寿命的底盘关键零部件轻量化设计方法研究还不够深入和成熟，零部件疲劳寿命的预测精度尚有待进一步提高；此外，与用户使用寿命等效的零部件疲劳强度试验方法和技术规范缺乏；研究中通常只有不同材料的疲劳极限数据，没有准确的零部件的疲劳极限数据可供参考和使用。汽车底盘零部件的轻量化研发还有许多基础、共性和关键技术尚待突破。
    3.商用车轻量化技术急待深入开展
    商用客、货车整备质量大，油耗高，是最具轻量化潜力的车型。近年来，城际间长途客流运输用大客车，因载客量固定、不能超载运输，其结构轻量化工作相对容易开展，车身结构用材由普通钢材向强度级别更高的高强度钢发展，另外以塑代钢和玻纤增强复合材料外饰件应用也越来越多，基于车身强度、刚度、模态以及侧翻安全性的结构轻量化优化设计广泛开展，有些客车部分或全部车身骨架采用铝合金结构，使整车结构重量明显降低，轻量化效果明显。但是城市客车、尤其是公交车，因上下班高峰期乘客多、超员严重，给轻量化技术的应用带来诸多困难。
    目前部分商用车轻量化工作难以开展的最主要原因，就是因超载导致其结构轻量化设计载荷难以准确确定，使轻量化工作难以开展。随着新的国家标准GB1589-2016的强制实施，相关政府部门对公路物流运输超载和超限治理力度的不断加大，给公路物流运输用商用车如牵引车、厢式车和半挂车结构轻量化带来了新的机遇，各商用车企业也纷纷组织力量开展商用载货汽车的轻量化研发工作，取得了一定进展，但同比国外同类车型还仍然有很大的轻量化空间，尤其是自卸车、矿用车等超载严重的专用车辆，应用轻量化技术的难度还非常大。
    4.新能源汽车结构轻量化工作还有待进一步加强
    新能源汽车因动力电池组质量大，同比传统燃料同类轿车整备质量约重150-300kg；同比传统燃料同类大客车，整备质量约重2-3吨。新能源汽车整备质量的增加，虽然不像传统燃料汽车那样会直接增加油耗和污染物排放，但他会明显增大新能源汽车电耗，缩短续航里程，增加汽车行驶时零部件动载荷，降低零部件疲劳寿命。以往对新能源汽车电池、电机和电控”三电“系统研发投入较大，对其结构轻量化工作重视不够，导致新能源汽车的轻量化工作相对滞后，给新能源汽车整体水平的提升带来不利影响。事实上，新能源汽车因有国家补贴政策拉动，其轻量化技术应用的承受度更高，其轻量化工作应该走在传统燃料车的前面，为汽车轻量化技术的推广应用起示范作用。目前，自主品牌新能源汽车都是在传统燃料车型上进行搭载改装，导致其整车总体布置与轴荷分配不合理，整车性能难以实现最佳匹配，给轻量化技术应用带来困难，全新架构新能源汽车结构轻量化技术研发亟待开展。
    吉林大学轻量化团队硕果累累
    国内轻量化技术的发展历程，也是吉林大学汽车轻量化团队成长的见证，作为团队的带头人，王登峰教授给我们简要介绍了吉林大学轻量化团队的十余年来的研究与产业合作成果：
    轻量化团队一直从事汽车结构轻量化设计理论与关键技术研究，完成了国家“十二五”科技支撑计划课题，国家自然科学基金项目、以及企业资助的产学研合作项目20余项，提出了新的车身结构轻量化优化设计方法，发展了汽车结构轻量化设计理论，构建了车身结构全参数化和轻量化多目标协同优化设计平台。近年来，获省部级科学技术特等奖1项、一等奖1项，二等奖6项，获国家发明专利50余项，发表SCI和EI高水平论文100余篇，研究成果应用于国内10余家自主品牌汽车企业，取得了重大经济和社会效益，提升了国内汽车行业轻量化技术水平，促进了行业技术进步。
    为了顺应国家新能源汽车发展的战略，轻量化团队正在主持“十三五”国家重点研发科技计划新能源汽车专项课题，“全新架构电动汽车结构/材料/性能一体化多目标优化设计”（2016YFB0101601）。拟重点突破碳纤维增强复合材料不同应变速率本构关系表征、零部件高精度有限元建模、分析与性能评价方法，碳纤维复合材料/高强钢/铝合金异种材料零部件连接技术，揭示零部件在冲击载荷作用下变形与失效机理，建立全新架构电动汽车结构/材料/性能一体化多目标协同优化设计方法。为多材料全新架构电动汽车研发奠定理论基础，扫清技术障碍。
    “以钢为主，多材料混合”将是国产乘用车轻量化主流用材技术路线
    2016年12月，中国汽车工程学会和汽车轻量化联盟发布了《汽车轻量化路线图》， 由中国汽车工程学会主持撰写，在国家制造强国建设战略咨询委员会与中国工程院战略咨询中心下达的《中国制造2025》重点领域技术创新路线图推进项目《节能与新能源汽车技术路线图》中，汽车轻量化技术创新战略联盟委托吉林大学轻量化团队牵头，组织联盟骨干成员和伙伴单位部分技术人员编写了《汽车轻量化技术路线图》，阐明了汽车行业轻量化发展的技术路线，该书已于2016年10月出版发布。概括起来重点包含以下几个方面：1）确定了适合我国国情的汽车轻量化发展阶段和总体目标；2）从总成和零部件层面制定了详尽的轻量化发展技术路线；3）阐明了适用于不同阶段的汽车轻量化用材、结构设计和先进成形技术。
    综合考虑我国汽车工业的发展状况，未来国产汽车尤汽车轻量化用材的主要发展方向为将是：“以钢为主，轻合金和纤维增强复合材料多材料混合应用”，并逐渐提高高强和轻质材料的应用比例。同时结合我国新能源汽车的发展需求，建立起适合我国国情汽车轻量化技术发展路径，实现精益求轻、轻益求精。
    微合金化支撑的汽车钢在商用和专用车市场有广阔的空间
    我们乘用车轻量化取得了一定的进展，但目前，国内厢式运输车车箱和集装箱轻量化技术发展相对较落后，用材强度级别低，结构优化设计不到位，导致车箱和集装箱空箱自重过大，消耗了过量能源，降低了运输效率，尚有较大的轻量化空间。为了解决上述问题，促进商用车领域轻量化技术进步，吉林大学汽车轻量化团队与中信微合金化技术中心等单位一起，共同组建产学研用深度合作的项目研发团队，把材料铌微合金化技术和结构优化设计结合起来，通过对车厢和集装箱用材、结构设计和制造技术的联合攻关，跨产业协同创新，在保证车厢和集装箱满足相关标准和使用性能要求的情况下，在基本不增加成本的条件下实现减重20%左右，取得了显著的轻量化效果，为成本增加敏感的商用车关键零部件轻量化技术开发起到了示范作用。
    自主品牌汽车对轻量化技术应用成本增加敏感，许多轻量化技术因受成本限制难以量产应用，如何把轻量化用材、结构优化、零件成形和成本控制有机结合起来，做到既能实现轻量化又能使成本控制在生产企业能够接受和允许的范围内，是汽车轻量化技术研发能否得以推广应用的重要前提，也是轻量化技术人员在研发过程中需要重点关注的主要问题。吉林大学汽车轻量化技术团队提出的基于零部件材料成本约束的汽车结构/材料/性能一体化轻量化多目标协同优化设计方法，可以较好的实现在产品研发阶段结构优化过程中进行汽车零部件选材、结构设计方案和性能的直接比较评价，在实现结构轻量化的同时，有效控制了用材成本，显著缩短了研发周期。
    基于平台化和模块化基础的轻量化技术尚待产业深度合作
    模块化与平台化开发是汽车工业的发展方向，基于平台化和模块化的轻量化面临怎么的调整呢？王登峰教授解释道，模块化与平台化将更有利于汽车轻量化技术在同平台和跨平台车型上推广应用，有利于形成系列化的轻量化汽车产品。汽车轻量化有减重和减量（通过集成设计减少零件数量）两种技术路径，模块化无论对系列化减重还是减量都能发挥非常大的作用。目前，我国汽车轻量化技术的产业链已经初步形成，在汽车用钢方面原材料和零部件供应商的轻量化技术解决方案和能力能够满足汽车行业的发展需求。但在铝、镁合金、特别是纤维增强复合材料领域还有一定差距，不能很好的满足行业轻量化技术发展的需要，应该在国家相关政策的引导、支持和推动下，通过跨学科协同、跨产业链协同、产学研用的深度合作，突破一批基础、共性和关键技术，尽快提升轻合金与纤维增强复合材料领域原材料和零部件供应商服务于汽车行业的能力和水平，加快轻合金和纤维增强复合材料在汽车轻量化领域的推广应用，使我国汽车轻量化技术水平再上一个新的层次。