關(guān)于汽車車身結(jié)構(gòu)的布設(shè)與安全性分析

宛仕超 馮曉軍 楊龍 萬(wàn)志偉 游小勇

摘 要：隨著我國(guó)汽車保有量的快速增長(zhǎng)，以及公路交通建設(shè)尤其是高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，車輛的運(yùn)行速度不斷加快且事故發(fā)生率也在不斷提高，這些都對(duì)車身結(jié)構(gòu)及其安全性提出了許多新的要求。本文對(duì)車身結(jié)構(gòu)布設(shè)給汽車的性能及安全性造成的影響進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)車身結(jié)構(gòu)布設(shè)的安全性優(yōu)化措施進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：汽車;車身結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布設(shè);安全性

1 引言

汽車已經(jīng)成為了現(xiàn)代人們生活出行的一種重要工具，給人們的生活和工作帶來(lái)了極大便利。這一方面說(shuō)明我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展取得了顯著成就，但同時(shí)也對(duì)汽車的性能和使用安全性提出了更高的要求。汽車的車身結(jié)構(gòu)布設(shè)對(duì)汽車的使用性能和外表美觀影響重大，但最為重要的是會(huì)影響到車身結(jié)構(gòu)的安全性，必須引起充分的重視。

近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車保有量的快速增長(zhǎng)，以及公路交通建設(shè)尤其是高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，車輛的運(yùn)行速度不斷加快且事故發(fā)生率也在不斷提高，這些都對(duì)車身結(jié)構(gòu)及其安全性提出了許多新的要求。本文正是基于這一現(xiàn)實(shí)出發(fā)點(diǎn)，對(duì)車身結(jié)構(gòu)布設(shè)給汽車的性能及安全性造成的影響進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)車身結(jié)構(gòu)布設(shè)的安全性優(yōu)化措施進(jìn)行了探討，希望對(duì)推動(dòng)相關(guān)工作的發(fā)展能夠有所借鑒。

2 車身結(jié)構(gòu)布設(shè)對(duì)汽車性能的影響

如果將汽車比作人體，那么發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)于心臟，而車身結(jié)構(gòu)則相當(dāng)于骨骼，車身結(jié)構(gòu)布設(shè)地是否合理，會(huì)對(duì)汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、動(dòng)力性以及舒適性等造成直接影響，以下將進(jìn)行具體分析安全性方面。現(xiàn)代汽車使用者對(duì)汽車的使用安全性愈發(fā)重視，而汽車的車身結(jié)構(gòu)、車身材質(zhì)以及發(fā)動(dòng)機(jī)都是影響汽車使用安全性的直接因素。

3 車身結(jié)構(gòu)安全性影響因素分析

上文已經(jīng)提到，當(dāng)前社會(huì)人們對(duì)汽車的使用要求更加強(qiáng)調(diào)對(duì)安全性的重視，而車身結(jié)構(gòu)又是關(guān)乎安全性的直接影響因素，因此對(duì)車身結(jié)構(gòu)布設(shè)的安全性進(jìn)行研究具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

3.1 車身承載力

車身的承載力主要指車身骨架結(jié)構(gòu)對(duì)載物的承受能力?，F(xiàn)實(shí)中經(jīng)常遇到的超載翻車事故就是載重超過(guò)了承載力引發(fā)的?？紤]到汽車不同的工況會(huì)使得承載力出現(xiàn)不同變化，比如正常行駛狀態(tài)、轉(zhuǎn)彎狀態(tài)、制動(dòng)狀態(tài)和緊急制動(dòng)狀態(tài)下的車身承載力均不相同，所以承載力的研究除了需要考慮汽車重量外，還必須考慮汽車使用時(shí)的不同工況因素。

3.2 汽車骨架結(jié)構(gòu)

對(duì)于承載式車身，車身骨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)布設(shè)會(huì)影響到強(qiáng)度和剛度，而這也是安全性研究中最重要的兩個(gè)指標(biāo)。承載式汽車如轎車、客車等，其車身主要包括前端、中部和后端三個(gè)部分。前段由前圍板、前圍內(nèi)側(cè)板、縱梁和兩側(cè)擋泥板組合形成了一個(gè)具有較強(qiáng)剛度的車身輪廓;車身中部由側(cè)圍、前后圍板、頂蓋、窗框等組成，形成盒狀車身主體;后端則主要由底板和輪內(nèi)輪外組成。承載式車身依靠發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤組成的汽車基體承受車身結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，這與非承載式車身依靠底盤大梁架來(lái)強(qiáng)化車身承載力有很大區(qū)別。因此，針對(duì)非承載式車身的骨架承載力進(jìn)行研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 車身結(jié)構(gòu)布設(shè)的安全性優(yōu)化建議

4.1 汽車碰撞安全性分析

現(xiàn)實(shí)中，車身結(jié)構(gòu)布設(shè)要充分重視安全性，而考慮到汽車發(fā)生事故主要是因?yàn)檎鲆l(fā)的，所以在進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)布設(shè)時(shí)需遵守安全性設(shè)計(jì)原則，具體需要滿足以下幾個(gè)條件：盡量降低乘客受到的沖擊;轉(zhuǎn)向柱后移量和前圍板侵入量較小，最大限度保證車上人員的生存空間。此外，在汽車碰撞安全性分析中，車上結(jié)構(gòu)安全部件材料的匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)也非常重要?？梢酝ㄟ^(guò)敏感度分析確定對(duì)汽車碰撞安全性影響較大的關(guān)鍵部件，然后再通過(guò)近似模型優(yōu)選和多目標(biāo)優(yōu)化選擇方法對(duì)結(jié)構(gòu)部件的布設(shè)及其厚度和材料性質(zhì)進(jìn)行科學(xué)確定。這里需要特別強(qiáng)調(diào)地一點(diǎn)是，車身結(jié)構(gòu)布設(shè)時(shí)要注重部件間的連接過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)材料、厚度的連續(xù)變量、離散變量的混合優(yōu)化。

4.2 科學(xué)選擇汽車關(guān)鍵安全部件

在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布設(shè)時(shí)，科學(xué)選擇關(guān)鍵安全部件也是提升安全性的重要舉措。首先，應(yīng)該建立車輛碰撞仿真模型，推薦采用“美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心”的“FordTaurus整車模型”。我國(guó)針對(duì)該模型專門進(jìn)行了仿真數(shù)據(jù)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)結(jié)果的一致性較高，即說(shuō)明采用該模型進(jìn)行仿真計(jì)算具有較高可信度。此外，也可以對(duì)車身結(jié)構(gòu)布設(shè)進(jìn)行數(shù)字建模，并利用CAE技術(shù)對(duì)其碰撞安全性進(jìn)行模擬仿真。然后，在仿真模型建立的基礎(chǔ)上，對(duì)碰撞中的車身結(jié)構(gòu)傳力路徑進(jìn)行分析。第三，對(duì)所布設(shè)車身結(jié)構(gòu)的吸能作用進(jìn)行分析，即分析傳力路徑上布設(shè)部件的能力傳遞，確定主要吸能部件，這也是保障汽車碰撞安全性的關(guān)鍵部件所在。

4.3 敏感度分析

在汽車車身結(jié)構(gòu)布設(shè)及其材料配置優(yōu)化方面，可以采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行分析，并據(jù)此得到關(guān)鍵安全部件的敏感度情況，為多項(xiàng)影響因素間的優(yōu)先級(jí)關(guān)系判定提供明確依據(jù)?？紤]到一般車身結(jié)構(gòu)的材料都為高強(qiáng)度鋼，而這種材料的成本一般都較高，所以必須確保此類結(jié)構(gòu)布設(shè)被改善或其材料被替換后，能夠促進(jìn)安全性得到優(yōu)化改善，這樣才能真正降低車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)中的花費(fèi)成本。因此，可以針對(duì)車身結(jié)構(gòu)布設(shè)及其材料的敏感度進(jìn)行分析，并依據(jù)分析結(jié)果對(duì)布設(shè)結(jié)構(gòu)及其材料變化具有較強(qiáng)敏感性的部件進(jìn)行確定。在此基礎(chǔ)上，可以利用各種優(yōu)化措施和算法對(duì)結(jié)構(gòu)布設(shè)及其材料變化進(jìn)行優(yōu)化處理。事實(shí)上，通過(guò)敏感度分析可以發(fā)現(xiàn)，汽車車身結(jié)構(gòu)的布設(shè)尤其是材料配置必須保持一個(gè)度，單純?cè)黾硬牧蠌?qiáng)度不一定能夠強(qiáng)化安全性，甚至有可能使布設(shè)結(jié)構(gòu)的材料變量越來(lái)越差，這種安全性強(qiáng)化方法并不可靠。

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