汽車車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計與性能計算分析

楊延勇

(北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院，廣東 珠海 519000)

0 引言

現(xiàn)如今，汽車已成為非常重要的交通運輸工具，與人們的衣食住行息息相關(guān)。車身作為汽車的四大總成之一，它不僅要有漂亮的造型和外觀、足夠的空間，更重要的是要有優(yōu)越的性能。因此，車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計方法受到了汽車生產(chǎn)商的重視。然而，由于汽車車身多為承載式車身，無大梁式車架，動力總成及底盤件都安裝到車身結(jié)構(gòu)件上，因此車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計是一項極其復(fù)雜且龐大的工程?；诖?，本文將對汽車車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計與性能計算分析進(jìn)行研究。

1 汽車車身性能的具體要求

車身是汽車車體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，包括頂蓋、側(cè)圍、車身底板、后圍和后隔板等，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車身具體結(jié)構(gòu)

設(shè)計車身結(jié)構(gòu)時，應(yīng)綜合考慮安裝空間、造型面、人機(jī)工程等方面的因素，在全部滿足的前提下，須考慮車身的性能目標(biāo)：①耐久性能，直接關(guān)系著汽車車身的使用時間；②安全性能，安全系數(shù)與安全帶強(qiáng)度、座椅強(qiáng)度、碰撞性能、頂蓋抗壓強(qiáng)度等有著密切關(guān)系；③強(qiáng)度性能，主要考慮的有頂蓋抗壓、車身安裝件強(qiáng)度、座椅固定強(qiáng)度等因素；④局部剛性性能，該性能會影響到氣囊ECU(電子控制單元)固定點的響應(yīng)頻率、車門下沉剛性；⑤NVH性能，該性能與安裝點動剛度、車身模態(tài)有關(guān)系；⑥整體剛性性能，影響著汽車車身扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度等；⑦達(dá)到輕量化系數(shù)，在保障車身安全的基礎(chǔ)上，認(rèn)為車身應(yīng)越輕越好。

需要注意的是，絕大多數(shù)的性能優(yōu)劣直接與車身結(jié)構(gòu)件有著密切關(guān)系，個別性能才與覆蓋件相關(guān)。

2 設(shè)計汽車車身結(jié)構(gòu)的方式

通常而言，汽車車身是一種承載式車身，對其進(jìn)行簡化的過程中會涉及到通過梁連接而形成的框架式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。如果受到外界載荷沖擊時，合理的車身結(jié)構(gòu)可以使得載荷沿著互相連接的梁朝著周圍傳遞，避免應(yīng)力過于集中，提升車身的安全性。

2.1 設(shè)計汽車車身結(jié)構(gòu)的整體思路

設(shè)計汽車車身結(jié)構(gòu)之前，可以將整體結(jié)構(gòu)分成縱向梁、橫向梁、立柱以及環(huán)狀路徑等幾個部分，各部分的設(shè)計如下。

2.1.1 縱向梁設(shè)計

縱向梁結(jié)構(gòu)作為汽車車身結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，其直接關(guān)系著車身的彎曲剛和耐撞性。車身縱向梁包括前托架、頂蓋邊梁、邊縱梁和前縱梁幾個部分(如圖3所示)，每個部分均扮演著重要角色，需要加強(qiáng)對其質(zhì)量的重視程度。

圖2車身基本框架結(jié)構(gòu)圖3車身縱向梁結(jié)構(gòu)

2.1.2 橫向梁設(shè)計

橫向梁分為兩個主要部分：車身頂蓋和車身底板，如圖4所示。橫向梁在汽車車身整體結(jié)構(gòu)中占據(jù)著重要位置，直接關(guān)系著車身側(cè)面的耐撞性。

2.1.3 車身立柱設(shè)計

車身立柱結(jié)構(gòu)處于側(cè)圍位置，側(cè)圍A柱、B柱、C柱均屬于車身立柱的重要構(gòu)成部分，如圖5所示。通常而言，車身前端、后端均存在立柱結(jié)構(gòu)，立柱結(jié)構(gòu)需要連接車身底板以及頂蓋，在支撐車體的同時，也需要抗擊來自車身側(cè)面的碰撞。

圖4車身的橫向梁主要結(jié)構(gòu)圖5車身立柱梁結(jié)構(gòu)

2.1.4 車身環(huán)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計

框架式車身結(jié)構(gòu)由立柱、橫向梁、縱向梁構(gòu)成，均在車身結(jié)構(gòu)中占據(jù)著重要位置，因此，在合理設(shè)計車身立柱結(jié)構(gòu)、橫向梁結(jié)構(gòu)、縱向梁結(jié)構(gòu)的同時，也應(yīng)設(shè)計其所處位置，使其形成環(huán)環(huán)相扣的結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮承載式車體結(jié)構(gòu)的性能。車身結(jié)構(gòu)中橫斷面環(huán)狀路徑結(jié)構(gòu)、縱斷面環(huán)狀路徑結(jié)構(gòu)、水平面環(huán)狀路徑結(jié)構(gòu)分別如圖6、圖7、圖8所示。框架式車身結(jié)構(gòu)可有效提升車體的安全性、扭轉(zhuǎn)剛度，經(jīng)過實踐證明，閉合環(huán)狀路徑結(jié)構(gòu)的抗扭作用遠(yuǎn)超過非閉合結(jié)構(gòu)。

圖6車身的橫斷面環(huán)狀路徑結(jié)構(gòu)圖7車身的縱斷面環(huán)狀路徑結(jié)構(gòu)

圖8 車身的水平面環(huán)狀路徑結(jié)構(gòu)

2.2 汽車車身局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.2.1 斷面設(shè)計

車身斷面是指中梁位置的斷面，常用于傳遞載荷，一般是封閉式結(jié)構(gòu)，構(gòu)建截面尺寸的過程中如果截面越靠近圓形，說明其抗扭能力也會越強(qiáng)。在矩形截面中，正方形抗扭能力最高，當(dāng)兩邊長度之比<1/2時，抗扭能力會顯著下降，抗彎折能力與之相似。車身通常會選擇“幾字”形斷面，如圖9所示。

2.2.2 連接部位結(jié)構(gòu)設(shè)計

連接結(jié)構(gòu)是指接頭結(jié)構(gòu)，為防止車身接頭結(jié)構(gòu)位置應(yīng)力過于集中，應(yīng)加大對接頭位置結(jié)構(gòu)設(shè)計的重視程度，增加接頭結(jié)構(gòu)疊料厚度、擴(kuò)大接頭位置截面積，以增加接頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，如圖10所示。

圖9 “幾字”形車身斷面

圖10 車身接頭結(jié)構(gòu)

2.2.3 安裝點設(shè)計

車身安裝點分為以下兩種：

(1) 靜態(tài)固定點：如安全帶、座椅位置、加油口蓋、四門兩蓋、散熱器、電器件、油箱、內(nèi)外飾等多個安裝點，這些安裝點在安裝過程中不會出現(xiàn)運動，也不會有激勵作用產(chǎn)生。

(2) 動態(tài)固定點:此種固定點能夠產(chǎn)生激勵作用，如前后懸架、排氣管、動力總成等安裝點，與靜態(tài)固定點相比，動態(tài)固定點不僅需要考核其強(qiáng)度，還必須充分考慮安裝點的動剛度性能。

為充分提升固定點位置的動剛度以及強(qiáng)度，應(yīng)結(jié)合車身實際情況，充分考慮車身重要構(gòu)件安裝點的需求，遵循“依梁而居”的原則進(jìn)行設(shè)計，通過該方式節(jié)省車身建構(gòu)資源，避免設(shè)計出過于復(fù)雜的支架結(jié)構(gòu)。

3 汽車車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計實例分析

3.1 某車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計

圖11為某三廂轎車車身骨架結(jié)構(gòu)。該轎車車身在追求高剛性、剛強(qiáng)度、高安全性的同時，注重車身零部件的功能集成性設(shè)計和車身的輕量化。另外在車身零件具體結(jié)構(gòu)設(shè)計、分塊設(shè)計上結(jié)合沖壓工藝、焊接工藝、安裝工藝和防腐性能開展工作，力爭設(shè)計出優(yōu)質(zhì)的車身結(jié)構(gòu)。

圖11 某三廂轎車的車身骨架結(jié)構(gòu)

圖12為轎車B柱頂端的搭接具體結(jié)構(gòu)。車身B柱(支柱)頂端為搭接結(jié)構(gòu)，為預(yù)防應(yīng)力過于集中的情況，在B柱中間與頂蓋邊梁中間的加強(qiáng)板、頂蓋梁里板中間與B柱里板均預(yù)留充足的重疊面積。

圖13為轎車側(cè)圍與頂蓋后橫梁的連接結(jié)構(gòu)。為預(yù)防應(yīng)力過于集中的情況，可增加加強(qiáng)板，擴(kuò)大其接觸面積，并布設(shè)5個焊點。

圖14為轎車后地板中橫梁處安裝點結(jié)構(gòu)。為增加安裝點位置的強(qiáng)度，可將車身后排安全帶下固定點、燃油箱固定點與后地板中橫梁相連接。

圖12轎車B柱頂端的搭接具體結(jié)構(gòu)圖13轎車側(cè)圍與頂蓋后橫梁的連接結(jié)構(gòu)

圖14 轎車后地板中橫梁處安裝點結(jié)構(gòu)

3.2 轎車車身性能計算

3.2.1 車身總體性能

利用LS-DYNA軟件對轎車車身進(jìn)行仿真分析，轎車車身整體性能參數(shù)如表1所示。與相同級別的汽車相比，該轎車性能更為優(yōu)越。

表1 轎車車身整體性能參數(shù)

3.2.2 車身仿真模擬

轎車車身正面碰撞前圍的侵入量、車身側(cè)面碰撞B柱的變形、車身整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)、后排安全帶下固定點強(qiáng)度、車身燃油箱固定點的強(qiáng)度如圖15～圖19所示。

由圖15～圖19可知，正面碰撞前圍擋板的侵入量最大值僅127.6 mm，預(yù)留了較大腿部空間；在側(cè)面碰撞的過程中，車身B柱侵入量最大值為136.89 mm，生存空間達(dá)209.3 mm，可有效保護(hù)駕駛?cè)说陌踩?；車身整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)值較高，達(dá)到47.1 Hz；后排安全帶下固定點強(qiáng)度較高，無明顯風(fēng)險；車身燃油箱固定點強(qiáng)度可滿足相關(guān)要求。

4 結(jié)束語

汽車乘員承載體、汽車車身總成統(tǒng)稱為車身的結(jié)構(gòu)件，為提升乘員乘坐的舒適性、安全性，保障車身不同總成的順利運轉(zhuǎn)，必須加大對車身剛度、強(qiáng)度的重視程度，使其滿足相關(guān)要求。在設(shè)計車身的結(jié)構(gòu)件時，可以從框架式結(jié)構(gòu)的角度切入，以承載式車身作為參考依據(jù)，合理設(shè)計立柱、橫向梁、縱向梁及其環(huán)狀結(jié)構(gòu)，提升車身結(jié)構(gòu)件整體剛度。同時，也須設(shè)計好車身的局部結(jié)構(gòu)，充分考慮安裝點、斷面以及接頭等結(jié)構(gòu)。經(jīng)過實踐證明，遵循以上設(shè)計理念的車身，其性能更為優(yōu)越，值得廣泛應(yīng)用。

圖15 轎車車身正面碰撞前圍的侵入量

圖16轎車車身側(cè)面碰撞柱的變形圖17轎車車身整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)

圖18轎車車身后排安全帶下固定點強(qiáng)度圖19轎車車身燃油箱固定點的強(qiáng)度

參考文獻(xiàn)：

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