關(guān)于如何優(yōu)化設(shè)計汽車車身結(jié)構(gòu)安全部件材料的分析

曹媛媛

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平不斷提高，汽車數(shù)量也不斷增加，已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂械闹匾ぞ咧?。而隨著人們安全防范意識的提高，對汽車各種性能的要求也不斷增加。汽車的車身結(jié)構(gòu)對汽車安全有著重要影響，事關(guān)人們生命安全，如何對其進(jìn)行優(yōu)化，特別是對于安全部件材料方面，也愈發(fā)引起人們的重視。本文主要對如何優(yōu)化設(shè)計汽車車身結(jié)構(gòu)安全部件材料進(jìn)行分析，以便為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：汽車車身 結(jié)構(gòu) 安全部件 材料

Analysis on how to Optimize the Design of Safety Component Materials for Automobile Body Structure

Cao Yuanyuan

Abstract：With the development of the economy， people's living standards continue to improve， and the number of cars is also increasing， which has become one of the important tools for people's daily travel. With the improvement of people's awareness of safety precautions， the requirements for various performances of automobiles are also increasing. The body structure of a car has an important impact on car safety and is related to people's life safety. How to optimize it， especially in terms of safety parts and materials， has also attracted more and more attention. This article mainly analyzes how to optimize the design of safety component materials for automobile body structure in order to provide reference for the development of related industries.

Key words：car body， structure， safety component， material

1 引言

當(dāng)今社會，汽車在日常生活中的作用越來越大，和人們的關(guān)系也愈發(fā)緊密，已經(jīng)成為人們出行必不可少的交通工具之一，為人們帶來很大便利。但是隨著汽車數(shù)量的增加，各種交通事故的數(shù)量也在不斷增加，汽車碰撞事件屢見不鮮，對人們生命財產(chǎn)帶來很大威脅。如何確保汽車安全性，就成為人們廣泛關(guān)注的問題之一。在汽車受到碰撞的設(shè)計環(huán)節(jié)，需要對車身結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行選擇，選擇關(guān)鍵的部件對其進(jìn)行強(qiáng)化，進(jìn)而使車身滿足耐撞的要求。而且汽車自身零部件的功能和數(shù)量都比較復(fù)雜，如何在對眾多部件材料進(jìn)行組合與選取時，依托不同材料部件的選擇也會越來越多，可選材料組合的方式也會不斷增加。那么如何與汽車車身實際情況相結(jié)合，選擇出最佳部件對車身進(jìn)行優(yōu)化至關(guān)重要。

2 汽車碰撞安全性設(shè)計

2.1 安全性設(shè)計的原則

一般來說，汽車如果在正面受到碰撞時，必須要擁有優(yōu)越的安全性能，這里就要從汽車的車身出發(fā)，要求車身結(jié)構(gòu)需要具備吸收能量的性能，確保汽車在遇到碰撞后，可以對車身受到的動能進(jìn)行有效吸收，進(jìn)而對車體的加速度進(jìn)行滿足，對入侵的能力進(jìn)行有效控制和配置。所以汽車安全性設(shè)計需要滿足以下兩點原則：第一，需要保持駕駛員和乘客艙的速度維持在比較低的標(biāo)準(zhǔn)上，以便汽車在受到撞擊后，防止車內(nèi)人員因撞擊而受到很大的沖擊影響。第二，前圍板的侵入量和轉(zhuǎn)向柱的后移量也要保持在較小的范圍內(nèi)，進(jìn)而使車內(nèi)人員的生存可能性得到有效提高，盡量防止人員因撞擊而受到較大傷害。

2.2 優(yōu)化設(shè)計汽車材料配置

對汽車的安全性進(jìn)行設(shè)計與實施時，其對象的選擇通常也都有很大的主觀特性，而且實際設(shè)計時經(jīng)常存在一些問題，比如對其材料以及厚度之間的交互問題沒有進(jìn)行全面考慮，這一問題對汽車安全性有很大影響。所以在進(jìn)行設(shè)計時，需要深入了解和分析，和能量的分布以及傳導(dǎo)路徑等相結(jié)合，對選擇的部件進(jìn)行設(shè)計與分析，進(jìn)而對汽車在遇到碰撞時的安全性影響進(jìn)行明確，以此有效解決設(shè)計時選擇對象非常困難的問題。此外，對設(shè)計對象進(jìn)行選擇時，盡量要使用多目標(biāo)優(yōu)化以及模型模擬方法對材料以及材料的厚度進(jìn)行優(yōu)化，要對材料與厚度之間的交互性等進(jìn)行全面考慮，進(jìn)而使材料與厚度之間實現(xiàn)混合性優(yōu)化的目的，而且因為汽車在碰撞設(shè)計時的對象相對比較隨意，為了提升方案的科學(xué)與完善，就需要對全部材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而有效提升設(shè)計的科學(xué)與準(zhǔn)確性，保障汽車在遇到碰撞后，對汽車安全有很大影響的材料都能作為設(shè)計的主要對象，具體如圖1。

3 汽車重要部件安全分析與優(yōu)化

3.1 汽車傳力路徑分析

汽車在遇到正面碰撞后，會存在應(yīng)力流動，可以由此進(jìn)行深入、全面的分析，進(jìn)而對汽車車身中哪些部件會在正面碰撞中有效發(fā)揮作用進(jìn)行明確，真正了解到各部件的時間作用，具有可以從以下幾方面出發(fā)：第一，如果汽車與汽車前方的剛性障礙出現(xiàn)碰撞時，一般來說車身前保險杠就很可能因為碰撞而出現(xiàn)擠壓和變形的現(xiàn)象，然后會直接把這種力的作用傳遞到上縱梁，隨后會往上傳遞，最后會傳遞到車輛的后方位置。第二，汽車在和剛性障礙進(jìn)行碰撞時，汽車前面的保險杠會因為擠壓而變形，把力傳遞給前縱梁，然后在傳遞到縱梁的下方部位，接著傳遞到門檻梁與地板縱梁。第三，汽車在和剛性障礙進(jìn)行碰撞時，汽車車身的下方很可能受前輪胎的作用，前輪胎會把受力直接傳到上方，然后轉(zhuǎn)到門檻梁，最后在向車輛后方傳遞。

3.2 能量分部分析

要對傳力路徑主要部件的能力進(jìn)行分析，就要對相關(guān)部件在路徑中能夠發(fā)揮的吸能作用進(jìn)行明確，進(jìn)而以此為基礎(chǔ)對汽車在遇到正面碰撞后可以發(fā)揮作用的部件進(jìn)行明確。通常汽車在出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象后，汽車的車身上端柱發(fā)揮的吸能作用會比下端柱的作用小，因此可以直接判斷，汽車車身以及乘員艙中發(fā)揮實際吸能作用的大部分還是車身下端傳力路徑承擔(dān)，所以可以借助不同部件之間能力比例情況，對出現(xiàn)碰撞時發(fā)揮作用的部件進(jìn)行確定。

3.3 敏感度分析

對汽車車身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，對材料配置進(jìn)行優(yōu)化時，可以直接使用正交實驗方法對其進(jìn)行科學(xué)分析，然后擴(kuò)大研究范圍，對相關(guān)部件實際敏感度情況進(jìn)行研究，進(jìn)而了解涉及到的多種影響因素對汽車車身安全性能帶來的主次關(guān)系。通常來說，車身的結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量都比較好，一般是使用強(qiáng)度非常高的鋼制作而成，但是如果使用這種強(qiáng)度非常高的鋼材，那么其成本也會大大增加，為此要想對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，就要確保如果高強(qiáng)度的鋼材再被替換后，新選擇的材料也要有相同的作用，即如果汽車發(fā)生了碰撞現(xiàn)象，新選擇的材料也要確保車身能夠發(fā)揮鋼材的效果，這樣才可以有效降低對汽車進(jìn)行設(shè)計時，由于車身的材料而帶來的浪費成本現(xiàn)象。為此，可以對汽車車身所有部件材料敏感度進(jìn)行分析，然后和分析得出的結(jié)果相結(jié)合，選擇出材料的變化局內(nèi)敏感性的部件，接著以此為基礎(chǔ)，對這些材料部件的厚度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化措施處理。在實施敏感度相關(guān)分析之后，就可以發(fā)現(xiàn)，汽車的車身結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度有一定的限制，必須要維持在一定的度，如果材料強(qiáng)度持續(xù)增加，其結(jié)果并不一定是正面的，有可能導(dǎo)致材料部件變量不斷變差，所以使用單純提升材料強(qiáng)度的方法并不是很可靠，而是要借助研究找到其中的度，在確保材料強(qiáng)度的同時，不對材料的其他功能產(chǎn)生影響。

3.4 汽車車身結(jié)構(gòu)材料配置優(yōu)化設(shè)計方法

當(dāng)前，針對汽車車身材料的配置問題，存在眾多分析方法，通常來說都是要建立起多種不同數(shù)學(xué)模型，然后借助模型對材料配置進(jìn)行統(tǒng)計和分析。但是，不管使用什么分析方法，都要考慮到一個關(guān)鍵性問題，那就是汽車車身部件材料以及厚度之間的交互性問題，比較常見的就是把離散變量直接作為連續(xù)變量，接著以此為基礎(chǔ)，對其最優(yōu)點進(jìn)行調(diào)整，使其調(diào)整到相應(yīng)離散值，借助這一方法可以使其局部得到最優(yōu)的處理。而且，還能夠把連續(xù)變量實施離散化處理，如果離散化方法出現(xiàn)了差異性時，也可以在這一基礎(chǔ)上，達(dá)到局部最優(yōu)結(jié)果。還可以借助遺傳算法進(jìn)行處理，這一方式需要借助計算機(jī)，屬于編碼范圍，對所要進(jìn)行處理的實際對象的性質(zhì)，并沒有嚴(yán)格的要求，那么它的處理對象可以使離散連續(xù)混合性便利，也能夠?qū)υO(shè)計內(nèi)的多個點進(jìn)行優(yōu)化和評價，使用這種方法，其在整體的搜索性能也比較良好。

4 結(jié)語

總之，對汽車的車身結(jié)構(gòu)安全部件材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計非常重要，需要引起相關(guān)人員的重視，加大對相關(guān)材料的研究，加大對碰撞試驗的分析，切實把握對汽車安全有重要影響的材料，進(jìn)而采取針對性措施提升材料性能，提升汽車安全性能，確保車輛在遇到碰撞后，能夠?qū)噧?nèi)人員提供有效的保護(hù)。

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