轎車車身結(jié)構(gòu)力學(xué)特征及輕量化設(shè)計(jì)

申華

摘要：得益于我國(guó)改革開放以及大量發(fā)展經(jīng)濟(jì)等惠民政策的出臺(tái)，我國(guó)人民的生活也隨之得到了質(zhì)的飛躍，因此人們已從解決溫飽的問題轉(zhuǎn)到了生活享受方面，其中汽車便成為了人們最常見的代步工具之一，其給人們普遍的感受就是出行方便以及行駛速度快等特點(diǎn)。然而如今的轎車車身結(jié)構(gòu)力學(xué)特征以及結(jié)構(gòu)量化設(shè)計(jì)等方面還存在著諸多不足，這些不足在一定的程度上阻礙了整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展，所以亟待人們更加深入地對(duì)其進(jìn)行剖析和解決。因此本文將對(duì)以往的轎車量化設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史以及當(dāng)今的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述，然后進(jìn)一步結(jié)合轎車車身結(jié)構(gòu)力學(xué)的特征，進(jìn)而有針對(duì)性的提出能夠有效的實(shí)現(xiàn)轎車整體輕量化的設(shè)計(jì)措施，以期能夠?yàn)槲覈?guó)轎車行業(yè)的健康良好的發(fā)展提供參考意見。

關(guān)鍵詞：轎車；車身結(jié)構(gòu)；力學(xué)特征；輕量化；設(shè)計(jì)

輕量化設(shè)計(jì)已成為國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)的重要研究課題。自汽車誕生以來，它與社會(huì)成員的個(gè)人生活息息相關(guān)。通過汽車的應(yīng)用，不僅社會(huì)各個(gè)成員的移動(dòng)速度得到了顯著提高，并且不同地區(qū)之間人員的各種信息和文化內(nèi)容的交流也得到了顯著改善。隨著生活質(zhì)量的不斷優(yōu)化，社會(huì)成員對(duì)輕量化要求的水平也在不斷提高。如何結(jié)合車身結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，已成為社會(huì)交通研究領(lǐng)域的主流研究方向。

1 轎車輕量化的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)汽車輕量化的研究始于上世紀(jì)八十年代中期。在社會(huì)工業(yè)化經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式日益成熟的前提下，一些西方發(fā)達(dá)資本主義國(guó)家開始認(rèn)識(shí)到汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的重要性。在中國(guó)，為了與國(guó)際汽車工業(yè)的發(fā)展步伐保持一致，我們將努力提升國(guó)有汽車生產(chǎn)技術(shù)的國(guó)際影響力和發(fā)展地位。20世紀(jì)90年代末，我們大力開發(fā)汽車車身輕量化設(shè)計(jì)解決方案。在生產(chǎn)和制造過程中，不斷選擇性能優(yōu)良的原材料建設(shè)，輕量化汽車的發(fā)展趨勢(shì)日益突出。在技術(shù)研究人員的長(zhǎng)期不懈努力下，沖壓工藝，激光結(jié)構(gòu)焊接和鈑金涂裝等現(xiàn)代設(shè)計(jì)和制造方法逐步投入生產(chǎn)，應(yīng)用于汽車的輕量化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程。

因?yàn)槿藗冊(cè)谇捌诘拈_發(fā)生產(chǎn)中不注重對(duì)能源以及環(huán)境的保護(hù)，所以導(dǎo)致了世界性的能源緊缺問題，因此為了能夠確保轎車行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，人們就必須解決轎車能耗過大的棘手問題。在總結(jié)了以往的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)后，相關(guān)設(shè)計(jì)工作者提出了轎車輕量化設(shè)計(jì)的方案，其不僅僅降低了轎車的制造成本，同時(shí)還提升了燃油效率，這也是其逐漸成為了轎車制造企業(yè)的主流設(shè)計(jì)的原因。作為車輛結(jié)構(gòu)的重要部分，車身結(jié)構(gòu)的重量減輕在整體車輛的重量中起重要作用。它通過輕量化設(shè)計(jì)，具有更加強(qiáng)大的可靠性和絕對(duì)安全性。

2 轎車車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)

2.1 車身設(shè)計(jì)應(yīng)用高強(qiáng)度鋼板

在結(jié)合車體結(jié)構(gòu)力學(xué)基本特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)和制造車體時(shí)，盡可能使用高強(qiáng)度鋼化建筑材料，并在實(shí)際使用過程中選擇合理的車輛的能耗。由此一來，其可以直接減少高強(qiáng)度鋼的使用，從而達(dá)到汽車的總重量最小化的目的。在中國(guó)汽車工業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)過程中，回火原料仍然是汽車車身制造的最佳選擇之一。與傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)過程中使用的原材料相比，回程車體的建筑材料具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。首先，與傳統(tǒng)汽車建材相比，回火原料市場(chǎng)價(jià)格相對(duì)較低，使用壽命長(zhǎng)，可以在一定程度上降低汽車企業(yè)經(jīng)濟(jì)支出的壓力。在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)代鋼板的使用不需要改變汽車生產(chǎn)線的原始操作程序，使公司對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)投資效益最大化，其也為汽車行業(yè)提高業(yè)務(wù)效率提供了先決條件。

2.2 建立超輕鋼化車身的幾何模型

通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)CAD繪圖軟件的現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用，汽車工業(yè)的技術(shù)生產(chǎn)和開發(fā)人員也可以在虛擬三維空間中建立超輕鋼化體的幾何模型。在今天的汽車整體結(jié)構(gòu)中，包括汽車側(cè)面，地板，車棚，擋風(fēng)玻璃和行李箱，各種尺寸的零件數(shù)量超過50個(gè)。技術(shù)人員還可以設(shè)計(jì)和生成曲面，通過應(yīng)用表面影響設(shè)計(jì)模板在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建鋼化材料主體 在創(chuàng)建超輕鋼化體的三維虛擬模型的過程中繪圖軟件。通過仿真操作，研究了超輕鋼化體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的可行性。借助現(xiàn)代信息技術(shù)，輕量化車身設(shè)計(jì)的可行性將得到充分和顯著的改善。

2.3 建立超輕鋼車身的有限元模型

通過構(gòu)建汽車輕量化超輕鋼體的有限元模型，技術(shù)人員可以從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面準(zhǔn)確，全面地分析汽車車身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。在目前我國(guó)汽車輕量化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工作的研究過程中，有限元輕量化汽車模型的建立可分為三種不同的類型。第一是分析靜態(tài)應(yīng)力下車體的靜電和導(dǎo)電力。二是分析輕量化汽車生產(chǎn)的靜態(tài)應(yīng)力模式和車身整體穩(wěn)定性。最后，分析了車身在瞬時(shí)運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)力和輕量化車身設(shè)計(jì)的使用壽命，是該分析模式的主要研究?jī)?nèi)容。

3 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)要求

3.1車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)作為一門綜合性較高且新型的學(xué)科，其主要便是能夠更有效的使用有限元的分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其是在車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，其能夠很好的利用主動(dòng)改善設(shè)計(jì)來取代以往的被動(dòng)校驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而大大地提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性以及效率性，同時(shí)降低了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)方法提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)要滿足的一些標(biāo)準(zhǔn)，并且迭代方法用于找到滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的解決方案優(yōu)化準(zhǔn)則。該方法最突出的特點(diǎn)是迭代次數(shù)少，設(shè)計(jì)變量的增加對(duì)其影響不大，計(jì)算效率很高，也有利于編程。然而，它經(jīng)常在建立迭代公式的過程中引入一些假設(shè)。這些假設(shè)通常與研究問題的特征有關(guān)，因此其多功能性也是有限的。

3.2現(xiàn)代汽車車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)要求

（1）輕量化是車身設(shè)計(jì)的核心元素。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的汽車行業(yè)運(yùn)用新型的技能對(duì)車輛進(jìn)行創(chuàng)新改造，以此提升其性能，滿足不同層次使用者的需求，而輕量化作為新型的設(shè)計(jì)元素，能夠?qū)⑵涑浞诌\(yùn)用起來必將能實(shí)現(xiàn)汽車設(shè)計(jì)和構(gòu)建的更大效益。

（2）車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要以安全舒適性為基本原則。經(jīng)當(dāng)下的市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，車身的承重能力是當(dāng)下車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值得重點(diǎn)考慮的要素之一。將其理念融入到車身設(shè)計(jì)中更能體現(xiàn)人文主義，同時(shí)關(guān)注駕駛員的切身感受，滿足其基本需求。

（3）精簡(jiǎn)車身設(shè)計(jì)流程，縮短設(shè)計(jì)周期。如何在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)汽車的快速設(shè)計(jì)是當(dāng)下眾多汽車行業(yè)管理者值得思考的問題之一。而隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的現(xiàn)代汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求精簡(jiǎn)化，以此提升制造商的汽車開發(fā)制造效率。同時(shí)也使自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力得到了加強(qiáng)。

（4）實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和分析的有機(jī)統(tǒng)一?，F(xiàn)代汽車車身機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更要求一次性地精確化，因而就需要在車身設(shè)計(jì)過程中加入全方面的分析，以此避免后期出現(xiàn)大幅度的改動(dòng)，從而增加人力物力的投入，影響汽車行業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。

4 結(jié)語

總而言之，隨著生活質(zhì)量和社會(huì)生活水平的顯著提高，人們對(duì)汽車內(nèi)外部的設(shè)計(jì)要求也在不斷提高。因而，相關(guān)的汽車設(shè)計(jì)和制造商就需要結(jié)合車身本身的結(jié)構(gòu)力學(xué)，并運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)的輕量化設(shè)計(jì)來提高整體的設(shè)計(jì)水平。但由于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并非是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作，其更多需要結(jié)合多方面的專業(yè)知識(shí)，例如有限元建模和數(shù)據(jù)分析，并且還涵蓋了材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等跨領(lǐng)域?qū)W科，因而，唯有不斷地進(jìn)行探索和優(yōu)化，才能實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的飛躍。

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（作者單位：長(zhǎng)城汽車哈弗技術(shù)中心）