摘要：電動(dòng)汽車是國(guó)內(nèi)未來汽車行業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一，汽車設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)其主體構(gòu)件是首個(gè)步驟，設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真分析其環(huán)形結(jié)構(gòu)與力的傳輸路徑，而后完成車身結(jié)構(gòu)的2D與3D設(shè)計(jì)，掌握四個(gè)典型斷面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)，可采用的方法有運(yùn)用新工藝、新材料及完善車身設(shè)計(jì)過程等。

關(guān)鍵詞：汽車;車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);輕量化;方法探究

汽車車身輕量化設(shè)計(jì)有助于減少車輛制造費(fèi)用、節(jié)省材料等，車身設(shè)計(jì)時(shí)基本上是將實(shí)現(xiàn)功能、性能作為主線，把安全風(fēng)險(xiǎn)控制作為目標(biāo)，會(huì)涉及到項(xiàng)目前期研發(fā)、概念規(guī)劃、工程完善及零部件研發(fā)等內(nèi)容。依照車身結(jié)構(gòu)的差異，可以將其分成非承載式、承載式兩種類型，相比之下，承載式車身對(duì)抗彎曲與抗扭轉(zhuǎn)剛度提出較高要求，但運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大噪音、振動(dòng)聲響，但因這種車身自重較輕、高度偏低、組裝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性較高、便于大規(guī)模制造等，當(dāng)下很多轎車、城市SUV均選用了這類車身結(jié)構(gòu)。本文中研發(fā)的小型汽車，車身設(shè)計(jì)時(shí)就選用了承載式結(jié)構(gòu)。

1 汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主體構(gòu)架

主體架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)汽車車身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)細(xì)致化設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)協(xié)助下進(jìn)行，具體是先依照整個(gè)車輛部署空間，建立主體框架走勢(shì)的仿真模型，完成拓?fù)鋬?yōu)化處理，結(jié)合處理及工程初期可行性測(cè)評(píng)結(jié)果，科學(xué)設(shè)定出主體框架的走勢(shì)。構(gòu)建框架時(shí)盡量建設(shè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，少用或不用懸臂梁。這主要是因?yàn)橛苫A(chǔ)力學(xué)模型能發(fā)現(xiàn)一側(cè)固定的懸臂梁不管是在均布載荷或集中載荷下，彎矩及剪力均高于兩端支撐的簡(jiǎn)支梁，這也就預(yù)示著在相同工況下，懸臂梁的結(jié)構(gòu)剛度和耐久性均不足。

由圖1發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)車身主體結(jié)構(gòu)時(shí)，主要是用X、Y、Z 向環(huán)的共同構(gòu)架。其中，X 向環(huán)有尾部、前尾、前端框架分別有3、10、8環(huán);Y向環(huán)上分布了門框5環(huán);Z向環(huán)被分成上、下部 Z 向環(huán)，其中上部Z向環(huán)存在著頂蓋、前風(fēng)擋、機(jī)艙上部分別有2、1、9環(huán)，下部上后地板、前地板及機(jī)艙下部依次有4、6、7環(huán)。

主斷面設(shè)計(jì)時(shí)轎車車身設(shè)計(jì)實(shí)踐中的重要一環(huán)，其穿插在由車身油泥模型制造開始到車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)束整個(gè)過程，為當(dāng)下分析車身工程可行性的重要方法和指導(dǎo)車身設(shè)計(jì)的重要憑據(jù)之一。為確保轎車車身主斷面與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作順利推進(jìn)，常規(guī)方法是先對(duì)標(biāo)桿樣車進(jìn)行逆向建模，建模內(nèi)容以三維數(shù)模和二維主斷面為主。而后把建成的三維數(shù)模與二維主斷面作為憑據(jù)，測(cè)評(píng)標(biāo)桿樣車的各種性能，比如分析標(biāo)桿樣車的綜合扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、車身接頭處剛度、車身門洞處剛度及測(cè)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)等。在設(shè)計(jì)新車型時(shí)，針對(duì)剛度不夠的位置要進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)，但是對(duì)于剛度過剩的位置要進(jìn)行削減設(shè)計(jì)，借此方式使新設(shè)計(jì)的車身具備有一個(gè)良好的剛度分布狀態(tài)。

1.2基于車身結(jié)構(gòu)有限元模型

當(dāng)下，承載式車身在我國(guó)轎車車身設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用，其在很大程度上能減輕車身重量，其最大的特殊是沒有車架，地板、骨架、內(nèi)外蒙皮與車頂?shù)戎T多組件焊接而言，打造出剛性框架結(jié)構(gòu)?？梢圆捎脧澢c膜屬性的單元?jiǎng)澐中问剑瑒澐职总嚿淼木W(wǎng)格。為提升工效及計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性，建模時(shí)要將尺寸偏小的倒角和加強(qiáng)筋忽略不計(jì)，應(yīng)用的單元尺寸是20mm的四邊形單元，特殊區(qū)段準(zhǔn)許存有三角形單元。因?yàn)槔糜邢拊浖ㄔO(shè)了焊接車身板殼件的車身模型，仿真模擬了焊點(diǎn)時(shí)難度相對(duì)較大，故而在建模時(shí)，應(yīng)忽視焊點(diǎn)位置形成的應(yīng)力，格外關(guān)注焊點(diǎn)部位產(chǎn)生的連接效應(yīng)，利用剛性地梁?jiǎn)卧M焊點(diǎn)，將相毗鄰的兩個(gè)單元的距離控制為60cm。

提取車身結(jié)構(gòu)一階固有頻率和重量，利用ANSYS 軟件后加強(qiáng)件、前地板下梁、側(cè)圍下側(cè)內(nèi)板、置物板等設(shè)計(jì)變量的靈敏度值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同板件對(duì)車輛的靈敏度表現(xiàn)出的一定差異。在車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，把車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率作為狀態(tài)變量，使一階模態(tài)頻率在30Hz以下，這是車身能維持較強(qiáng)動(dòng)態(tài)能力的重要基礎(chǔ)。

2 汽車車身實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的方法

2.1 基于靈敏度的輕量化設(shè)計(jì)

靈敏度分析被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)是汽車車身實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的一種重要方法，其能定量測(cè)算出車身設(shè)計(jì)的安全系數(shù)與余量，估算出車身結(jié)構(gòu)修整時(shí)所需實(shí)現(xiàn)的效果，進(jìn)而短縮設(shè)計(jì)時(shí)間，提升車身設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性水平。在車身輕量化設(shè)計(jì)實(shí)踐中，一定要確保車身的性能符合其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與要求，特別是在靈敏度分析環(huán)節(jié)，建議把車身鈑金厚度設(shè)定為變量，把車身扭轉(zhuǎn)剛度、彎度、第一階模態(tài)等作為設(shè)計(jì)的約束條件，把最小車身質(zhì)量當(dāng)做設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)而開展汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)活動(dòng)。

2.2 應(yīng)用新材料

既往有大量的生產(chǎn)實(shí)踐中表明，應(yīng)用輕量化材料是車身實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)的主要途徑之一，單一材料車身相比較，多材料車身能將各材料的性能、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，故而應(yīng)為汽車車身各個(gè)零部件選用適宜的生產(chǎn)材料，進(jìn)而在性能與成本管束下，取得更優(yōu)良的輕量化設(shè)計(jì)成績(jī)。當(dāng)下，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有部分汽車公司試圖應(yīng)用多種材料生產(chǎn)制造車身，比如寶馬全新5系與奔馳S級(jí)Coupet等轎車均是典范，當(dāng)下通常是基于比較分析與測(cè)評(píng)不同材料車身性能優(yōu)劣程度的方法選擇適宜的材料，針對(duì)多材料結(jié)構(gòu)的車身設(shè)計(jì)方法鮮有報(bào)道。

2.3 完善車身設(shè)計(jì)

汽車車身實(shí)現(xiàn)全面化設(shè)計(jì)且通過測(cè)評(píng)后確認(rèn)其符合標(biāo)準(zhǔn)要求后，分析車身的靈敏度，可以利用輕量化迭代計(jì)算的方法進(jìn)行，測(cè)評(píng)分析汽車的NVH、碰撞安全及耐久性等，進(jìn)而選擇更加適宜的車身材料，整體改善汽車的靈敏度，并更好的滿足汽車車身對(duì)輕量化提出的要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)車身材料和結(jié)構(gòu)組合，建設(shè)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)結(jié)構(gòu)性能的全局近視模型，進(jìn)而禁燒有限元的測(cè)算次數(shù)，利用多目標(biāo)遺傳算法完成求解，最后應(yīng)用算例去檢測(cè)驗(yàn)證這種方法的有效性。

3 結(jié)語

當(dāng)下國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)、研發(fā)正處于初期階段，盡管很多電動(dòng)汽車被用于市場(chǎng)內(nèi)，但其基本是在傳統(tǒng)汽車基礎(chǔ)上改造而成的，有自重較大、續(xù)航能力不足等缺點(diǎn)，這是很多人主觀上不愿意選購(gòu)、使用電動(dòng)汽車的主要原因。應(yīng)不斷完善車身設(shè)計(jì)思想，利用仿真軟件校核和完善車身架構(gòu)和結(jié)構(gòu)，加大新工藝、材料等利用力度，盡早實(shí)現(xiàn)車身設(shè)計(jì)的輕量化。

參考文獻(xiàn)：

[1]李仲奎， 吳開豐， 袁亮，等. 基于NVH性能的汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 汽車工程師， 2019（6）：24-28+54.

[2]段瑛濤， 王智文， 栗娜，等. 熱塑性復(fù)合材料在汽車車身結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用開發(fā)[J]. 汽車工藝與材料， 2020（4）：14-18.

作者簡(jiǎn)介：劉曉潔（1984-），女，河南三門峽人，講師，碩士，研究方向：汽車制造與裝配技術(shù)

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