汽車車身結構設計及其輕量化方法運用分析

摘要：電動汽車是國內未來汽車行業(yè)發(fā)展的主要趨勢之一，汽車設計時，設計其主體構件是首個步驟，設計時要認真分析其環(huán)形結構與力的傳輸路徑，而后完成車身結構的2D與3D設計，掌握四個典型斷面的設計要點。為實現(xiàn)對汽車車身的輕量化設計，可采用的方法有運用新工藝、新材料及完善車身設計過程等。

關鍵詞：汽車;車身結構設計;輕量化;方法探究

汽車車身輕量化設計有助于減少車輛制造費用、節(jié)省材料等，車身設計時基本上是將實現(xiàn)功能、性能作為主線，把安全風險控制作為目標，會涉及到項目前期研發(fā)、概念規(guī)劃、工程完善及零部件研發(fā)等內容。依照車身結構的差異，可以將其分成非承載式、承載式兩種類型，相比之下，承載式車身對抗彎曲與抗扭轉剛度提出較高要求，但運行時會出現(xiàn)較大噪音、振動聲響，但因這種車身自重較輕、高度偏低、組裝簡單、經濟性較高、便于大規(guī)模制造等，當下很多轎車、城市SUV均選用了這類車身結構。本文中研發(fā)的小型汽車，車身設計時就選用了承載式結構。

1 汽車車身結構設計

1.1 主體構架

主體架構設計時汽車車身結構實現(xiàn)細致化設計的重要基礎。在計算機輔助技術協(xié)助下進行，具體是先依照整個車輛部署空間，建立主體框架走勢的仿真模型，完成拓撲優(yōu)化處理，結合處理及工程初期可行性測評結果，科學設定出主體框架的走勢。構建框架時盡量建設環(huán)形結構，少用或不用懸臂梁。這主要是因為由基礎力學模型能發(fā)現(xiàn)一側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支梁，這也就預示著在相同工況下，懸臂梁的結構剛度和耐久性均不足。

由圖1發(fā)現(xiàn)，設計車身主體結構時，主要是用X、Y、Z 向環(huán)的共同構架。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、前風擋、機艙上部分別有2、1、9環(huán)，下部上后地板、前地板及機艙下部依次有4、6、7環(huán)。

主斷面設計時轎車車身設計實踐中的重要一環(huán)，其穿插在由車身油泥模型制造開始到車身結構設計結束整個過程，為當下分析車身工程可行性的重要方法和指導車身設計的重要憑據之一。為確保轎車車身主斷面與結構設計工作順利推進，常規(guī)方法是先對標桿樣車進行逆向建模，建模內容以三維數(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，測評標桿樣車的各種性能，比如分析標桿樣車的綜合扭轉剛度、彎曲剛度、車身接頭處剛度、車身門洞處剛度及測算轉動慣量系數(shù)等。在設計新車型時，針對剛度不夠的位置要進行強化設計，但是對于剛度過剩的位置要進行削減設計，借此方式使新設計的車身具備有一個良好的剛度分布狀態(tài)。

1.2基于車身結構有限元模型

當下，承載式車身在我國轎車車身設計、制造領域中有廣泛應用，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、內外蒙皮與車頂?shù)戎T多組件焊接而言，打造出剛性框架結構?？梢圆捎脧澢c膜屬性的單元劃分形式，劃分白車身的網格。為提升工效及計算結果的精準性，建模時要將尺寸偏小的倒角和加強筋忽略不計，應用的單元尺寸是20mm的四邊形單元，特殊區(qū)段準許存有三角形單元。因為利用有限元軟件建設了焊接車身板殼件的車身模型，仿真模擬了焊點時難度相對較大，故而在建模時，應忽視焊點位置形成的應力，格外關注焊點部位產生的連接效應，利用剛性地梁單元模擬焊點，將相毗鄰的兩個單元的距離控制為60cm。

提取車身結構一階固有頻率和重量，利用ANSYS 軟件后加強件、前地板下梁、側圍下側內板、置物板等設計變量的靈敏度值。統(tǒng)計結果發(fā)現(xiàn)，不同板件對車輛的靈敏度表現(xiàn)出的一定差異。在車身輕量化優(yōu)化設計時，把車身一階扭轉模態(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動態(tài)能力的重要基礎。

2 汽車車身實現(xiàn)輕量化設計的方法

2.1 基于靈敏度的輕量化設計

靈敏度分析被國內外公認是汽車車身實現(xiàn)輕量化設計的一種重要方法，其能定量測算出車身設計的安全系數(shù)與余量，估算出車身結構修整時所需實現(xiàn)的效果，進而短縮設計時間，提升車身設計的經濟性水平。在車身輕量化設計實踐中，一定要確保車身的性能符合其設計標準與要求，特別是在靈敏度分析環(huán)節(jié)，建議把車身鈑金厚度設定為變量，把車身扭轉剛度、彎度、第一階模態(tài)等作為設計的約束條件，把最小車身質量當做設計目標，進而開展汽車車身的輕量化設計活動。

2.2 應用新材料

既往有大量的生產實踐中表明，應用輕量化材料是車身實現(xiàn)輕量化設計目標的主要途徑之一，單一材料車身相比較，多材料車身能將各材料的性能、經濟優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，故而應為汽車車身各個零部件選用適宜的生產材料，進而在性能與成本管束下，取得更優(yōu)良的輕量化設計成績。當下，國內外已經有部分汽車公司試圖應用多種材料生產制造車身，比如寶馬全新5系與奔馳S級Coupet等轎車均是典范，當下通常是基于比較分析與測評不同材料車身性能優(yōu)劣程度的方法選擇適宜的材料，針對多材料結構的車身設計方法鮮有報道。

2.3 完善車身設計

汽車車身實現(xiàn)全面化設計且通過測評后確認其符合標準要求后，分析車身的靈敏度，可以利用輕量化迭代計算的方法進行，測評分析汽車的NVH、碰撞安全及耐久性等，進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輕量化提出的要求。優(yōu)化設計車身材料和結構組合，建設相應的數(shù)學模型，采用神經網絡建設結構性能的全局近視模型，進而禁燒有限元的測算次數(shù)，利用多目標遺傳算法完成求解，最后應用算例去檢測驗證這種方法的有效性。

3 結語

當下國內電動汽車設計、研發(fā)正處于初期階段，盡管很多電動汽車被用于市場內，但其基本是在傳統(tǒng)汽車基礎上改造而成的，有自重較大、續(xù)航能力不足等缺點，這是很多人主觀上不愿意選購、使用電動汽車的主要原因。應不斷完善車身設計思想，利用仿真軟件校核和完善車身架構和結構，加大新工藝、材料等利用力度，盡早實現(xiàn)車身設計的輕量化。

參考文獻：

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

作者簡介：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

湖北工業(yè)職業(yè)技術學院 湖北 十堰 442000