周磊
摘 要 近年來,我國汽車工業(yè)發(fā)展速度不斷加快,無形中對汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計工作提出了嚴(yán)格要求。現(xiàn)階段環(huán)保要求逐步增多,汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在工作中應(yīng)用了輕量化設(shè)計理念和設(shè)計方式,這樣有助于實現(xiàn)節(jié)能減排。細(xì)致研究汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計工作,可知不僅只是單純的減輕重量,同時也要保證安全性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。通過正確應(yīng)用輕量化設(shè)計技術(shù)的方式,能夠顯著提高汽車結(jié)構(gòu)剛度,這就要求設(shè)計人員全面考慮各項材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),在滿足汽車在使用性能方面各項要求的基礎(chǔ)上,選擇具有針對性和合理性的輕量化設(shè)計方法。而且,隨著人們生活水平的顯著提升,在汽車質(zhì)量方面提出的要求更加嚴(yán)格。我國汽車制造行業(yè)為了能夠滿足人們多樣化要求,就要不斷創(chuàng)新開發(fā)新品種和新服務(wù),在保證安全節(jié)能的同時,推動汽車制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
關(guān)鍵詞 汽車制造 結(jié)構(gòu)設(shè)計 輕量化設(shè)計 節(jié)能環(huán)保
中圖分類號:U46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-0745(2022)03-0106-03
隨著我國汽車設(shè)計制造產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,輕量化設(shè)計已經(jīng)逐步成為了一種主流發(fā)展方向。設(shè)計人員結(jié)合汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,正確應(yīng)用輕量化設(shè)計方法,在保證性能的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了節(jié)能減排。汽車輕量化設(shè)計工作,對設(shè)計人員的專業(yè)能力具有較高要求,既要減輕重量,又要提升性能。之所以汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計理念被廣泛應(yīng)用,主要就是因為目前人們節(jié)能環(huán)保意識不斷提升,使汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)注重追求輕量、環(huán)保、安全,在正確應(yīng)用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法之后,可以滿足我國汽車設(shè)計制造行業(yè)發(fā)展要求。本文從汽車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計要求入手,結(jié)合汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計優(yōu)勢展開闡述,針對如何高效利用輕量化設(shè)計方法做好汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計工作進(jìn)行全面探討。
1 汽車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計要求
1.1 車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
汽車車身不僅只是一個功能單元,也是一個非常重要的承重單元?;诖?,車身作為功能單元之后,能夠給駕駛員提供更加便利的駕駛環(huán)境,甚至也可以為乘客提供舒適的乘坐環(huán)境。性能達(dá)標(biāo)的車機(jī)身結(jié)構(gòu)和安全保護(hù)系統(tǒng),一般都是由車身框架、底盤、車架等零部件共同組成,并且還會在汽車行駛中承擔(dān)相應(yīng)的荷載作用。車身結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的廣泛性、車身造型設(shè)計和材料具有多樣性。
在對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類時,可以具體分為兩大類:
一是車身結(jié)構(gòu)為非承重車身,具有剛性車架,其還被稱為“底盤主梁”。一般狀況下,這種類型的車身結(jié)構(gòu),都是以重型結(jié)構(gòu)為主,在卡車、公共汽車、越野車輛設(shè)計中的應(yīng)用率更高,不僅具備較強(qiáng)的穩(wěn)定和安全性,也能防止乘客顛簸[1]。
二是承重結(jié)構(gòu)車身,與前一種類型的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,其實際上是一個整體,沒有鋼架,懸掛直接與汽車車身連接,具有質(zhì)量小、高度低、容易裝配等特征,一般在設(shè)計轎車車身結(jié)構(gòu)時會應(yīng)用到。
1.2 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計要求
汽車整體是由多種不同類型的部件共同構(gòu)建而成的,如車身結(jié)構(gòu)就是其中非常重要的一種部件。為了保證汽車駕駛安全,車身結(jié)構(gòu)需要具備足夠的強(qiáng)度,否則一旦發(fā)生事故就會對人身安全造成嚴(yán)重威脅。對于汽車而言,也要在具備足夠的剛度之后再正常運(yùn)行,無形中就會在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計方面提出諸多要求,具體如下。
汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在日常設(shè)計過程中,要在保證汽車性能和功能的基礎(chǔ)上,突出外觀美觀性和修飾性;空氣動力系統(tǒng)性能也要符合汽車制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),方便車身的維修、裝配、拆卸。如果從汽車形狀和結(jié)構(gòu)的角度對設(shè)計要求進(jìn)行研究,就會發(fā)現(xiàn)汽車車身外殼實際上是由諸多空間表面形狀的大型面板共同組成,這就要在落實設(shè)計工作時不斷優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。始終都要保證車體外形合理,這樣可以有效引導(dǎo)車體周圍的氣流,對于提升汽車動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、駕駛安全性具有重要意義[2]。除此之外,在初期設(shè)計階段,車身結(jié)構(gòu)設(shè)計人員就要細(xì)致分析數(shù)據(jù),否則極易在批量生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常噪聲和故障等風(fēng)險。為了做好汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計工作,需要將功能實現(xiàn)這項工作作為基礎(chǔ)條件,在保證車身外觀同時,使汽車具備良好的氣動性能,為后續(xù)人們維護(hù)提供便利。
2 汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計優(yōu)勢
深入研究“汽車車身輕量化”這一設(shè)計理念,可知主要內(nèi)容就是指在保證汽車正常運(yùn)行、安全性、駕駛舒適性的基礎(chǔ)上,科學(xué)合理的減輕汽車重量。社會在發(fā)展過程中越來越注重節(jié)能環(huán)保工作,我國汽車制造業(yè)如果想要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),就要全面結(jié)合節(jié)能減排這一主流發(fā)展趨勢,制定有助于推動汽車行業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)性方案。實際上,充分利用輕量化設(shè)計方法設(shè)計汽車結(jié)構(gòu),最終目標(biāo)就是落實節(jié)能減排工作。合理減輕汽車重量,是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和新能源汽車實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的一種重要方式。但是對于普通形式下的汽車而言,汽車車身質(zhì)量一般約占汽車整體質(zhì)量的22%-25%,無形中就會使汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計工作面臨雙重挑戰(zhàn)??紤]到目前人們在汽車舒適度和安全性等方面提出的要求不斷增多,這就要結(jié)合汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,充分利用輕量化設(shè)計方法。本文從以下三個方面細(xì)致分析輕量化設(shè)計方法的應(yīng)用優(yōu)勢,為后續(xù)提升汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計效果提供參考依據(jù)。
一是優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計。汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在實際工作期間,要充分利用夾芯板,增強(qiáng)汽車結(jié)構(gòu)輕度。在提升原材料利用率同時,能夠顯著減輕汽車自身重量。
二是優(yōu)化零部件設(shè)計。設(shè)計人員結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求應(yīng)用輕量化設(shè)計方法,可以使汽車結(jié)構(gòu)的各個部分處于高度集成化狀態(tài),有助于減少集成部門的重量。不僅如此,在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造一體化的作用下,汽車零件的輕度和耐腐蝕性等都會得到相應(yīng)的提升,這對于降低汽車故障率具有重要意義。
三是優(yōu)化連接方式。在輕量化設(shè)計方法充分發(fā)揮應(yīng)用價值之后,可以優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)中各個零部件的連接方式[3]。目前在我國汽車制造領(lǐng)域,逐步出現(xiàn)了越來越多的高科技材料,既能提升汽車零部件連接可靠性,也能顯著降低汽車自重。
3 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中輕量化設(shè)計方法應(yīng)用策略
我國汽車制造行業(yè)將節(jié)能環(huán)保這一理念作為主要依據(jù),制定具有環(huán)保特征的設(shè)計制造方案,最終目的就是減少汽車尾氣排放量。輕量化設(shè)計方法是節(jié)能減排的一種重要實現(xiàn)路徑,在保證汽車安全和性能達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上,滿足車身剛度、疲勞耐久性、穩(wěn)定操作性等多個方面的要求。經(jīng)過上述分析,可知在實際開展汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中,正確利用輕量化設(shè)計技術(shù),具備諸多優(yōu)勢,能夠滿足汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計安全和質(zhì)量要求。在輕量化技術(shù)充分發(fā)揮應(yīng)用優(yōu)勢之后,能夠優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計體系、優(yōu)化零部件設(shè)計機(jī)制、優(yōu)化連接方式?,F(xiàn)階段我國汽車行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新過程中,對技術(shù)具有較高要求,典型的轎車和商用車,需要結(jié)合設(shè)計要求,利用輕量化設(shè)計材料和技術(shù),在保證汽車性能符合要求的基礎(chǔ)上,為后續(xù)推動我國汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。
3.1 尺寸優(yōu)化方法
尺寸優(yōu)化這種類型的輕量化設(shè)計方法,主要就是在給定的結(jié)構(gòu)型式、材料、布局、幾何形狀的基礎(chǔ)上,優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中實際應(yīng)用構(gòu)件的截面尺寸,從而使汽車結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最輕和最經(jīng)濟(jì)化設(shè)計目標(biāo)[4]。比如:汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在應(yīng)用尺寸優(yōu)化設(shè)計方法期間,對于節(jié)點(diǎn)位置處于固定狀態(tài)的桁架結(jié)構(gòu),可以得到各梁的最佳截面尺寸;對于幾何形狀固定的平板結(jié)構(gòu)而言,可以得到各部分的最佳厚度。除此之外,在整車開發(fā)過程中實施,設(shè)計人員還可以通過不斷調(diào)整整車布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計形式等多種方式,制定更加有效的汽車減重方案,這樣有助于實現(xiàn)低成本和高質(zhì)量的汽車減重設(shè)計目標(biāo)。
3.2 改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)
在設(shè)計汽車車身期間,要注重建立三維數(shù)據(jù),如遵循點(diǎn)、線、面、體的過程,先是車身生產(chǎn)之前的典型數(shù)據(jù),也就是指“二維數(shù)據(jù)”。車身設(shè)計工作內(nèi)容較多,車身典型截面就是此項工作中非常重要的一項內(nèi)容,具體可以將其定義為零件之間的匹配關(guān)系,充分發(fā)揮作用能夠指導(dǎo)后續(xù)生成三維數(shù)據(jù),反應(yīng)運(yùn)動零件的具體運(yùn)動軌跡,評價初步工藝應(yīng)用的可行性,反應(yīng)截面的彎曲和扭轉(zhuǎn)特征。基于此,在生產(chǎn)汽車時,輕量化系數(shù)主要考察的就是白車身的性能,如一般狀況下都是通過白車身的單位重量來實現(xiàn)。為了能夠提升汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計效果,設(shè)計人員就要不斷改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu),從而使汽車內(nèi)部的零件變得更薄、更空、更小等。優(yōu)化汽車車身設(shè)計結(jié)構(gòu)時,充分應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化、形狀和尺寸優(yōu)化等方法,目前我國汽車行業(yè)
應(yīng)用較多的方法是拓?fù)鋬?yōu)化。進(jìn)一步形狀優(yōu)化方法被廣泛應(yīng)用到對加強(qiáng)的形狀和方向進(jìn)行優(yōu)化,而形狀和尺寸優(yōu)化方法,則是被應(yīng)用在板料表面和厚度設(shè)計工作中。
3.3 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)
這種類型的技術(shù),是汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)用率非常高的一種方式,主要設(shè)計理念就是將機(jī)構(gòu)拓?fù)渥罴鸦瘑栴},轉(zhuǎn)化為給定設(shè)計區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)物料分配問題,本文已在圖1中將拓?fù)鋬?yōu)化流程展現(xiàn)出來,為后續(xù)提升拓?fù)鋬?yōu)化效果提供依據(jù)。在設(shè)計時要求設(shè)計人員利用多個變量,控制大量參數(shù)的變化狀況,這樣能夠?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)優(yōu)化自動操作。設(shè)計人員還可以結(jié)合設(shè)計要求,借鑒開發(fā)工具和評價系統(tǒng),充分利用綜合優(yōu)化方法實現(xiàn)減權(quán)目標(biāo)。在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計工作進(jìn)入到楚格設(shè)計階段之后,要第一時間提供最佳設(shè)計和可行性分析方案,這樣有助于節(jié)省更多的研發(fā)時間和資金。現(xiàn)階段我國汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè),比較常用的方法是連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法,具體包括變厚度法、變密度發(fā)、均勻化法等。
3.4 注重應(yīng)用新型材料
汽車制造行業(yè)綜合考慮節(jié)能環(huán)保、安全舒適等多個方面的要求,為后續(xù)實現(xiàn)輕量化設(shè)計、高強(qiáng)度設(shè)計、高性能設(shè)計目標(biāo)提供依據(jù)。我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度逐步加快,多種新型材料出現(xiàn)并被應(yīng)用,汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計過程中,應(yīng)注重應(yīng)用新型材料,減輕汽車自身重量,減少污染。
一是應(yīng)用塑料件。塑料是汽車車身的重要組成因素,其與普通形式下的塑料進(jìn)行比較,具有原材料工藝、成型工藝成熟的特征,并且其力學(xué)性能、耐磨性、電學(xué)性能等都非常強(qiáng)。
二是應(yīng)用高強(qiáng)鋼。主要是在低碳鋼中添加適量微量元素的高強(qiáng)度鋼,其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都非常高。通過運(yùn)用高強(qiáng)度鋼代替普通鋼的方式,有效減少截面尺寸,減輕重量。
三是應(yīng)用鋁合金。在將這種材料與汽車鋼板進(jìn)行比較之后,能夠發(fā)現(xiàn)鋁合金的密度比較低,可以將其作為汽車車身的重要輕質(zhì)材料。
4 結(jié)語
綜上所述,在汽車設(shè)計技術(shù)顯著提升的背景下,汽車制造行業(yè)在發(fā)展創(chuàng)新中既具有相應(yīng)機(jī)遇,也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在設(shè)計期間,結(jié)合節(jié)能環(huán)保發(fā)展要求,細(xì)致分析汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,合理選用尺寸優(yōu)化方法、改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)、注重應(yīng)用新型材料等多種輕質(zhì)化設(shè)計方法,在提升汽車性能和保證汽車安全的基礎(chǔ)上,使汽車結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化設(shè)計方法充分發(fā)揮應(yīng)用作用,為后續(xù)提升我國整體汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計水平提供技術(shù)保障,從而推動我國汽車制造行業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展。
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