车身薄壁结构的刚度理论研究及应用

袁王锋刘绍安

摘要：在汽车车身中，薄壁结构具有非常好的力学性能，并且具有轻量化的特点，因此其在车体结构中应用广泛。然而国内对薄壁结构的理论研究却不多。本文将薄壁结构理论与车身结构设计相结合，研究车身结构设计要素和弯曲刚度、扭转刚度、屈曲现象之间的关系，并提出惯性矩效率概念ISE，定性分析截面各项参数在提升刚度过程中对车身轻量化的影响程度，有助于在汽车结构设计工作中明确设计方向。

关键词：车身；薄壁结构；刚度；惯性矩；曲屈

汽车设计除保证乘员的安全和舒适外,还必须考虑节约能源、减少排放和保护环境。因此,如何协调车体结构安全性与轻量化之间的矛盾正成为国际汽车界的一个研究热点。目前,车身轻量化的主要途径有2条:效果比较明显的是用轻型材料(如镁、铝、塑料和复合材料等)替换车身骨架及内、外壁板原有的钢材,目前已制造出部分产品;另一种有效的方法是通过优化车身结构实现轻量化,其代表性成果为ULSAB(UltraLightSteelAutoBody)项目。受空间尺寸限制,由于有些材料的结构刚度不足,轻量化可能导致汽车振动、噪声与抗疲劳等方面性能的降低。本文将分析构成汽车车身骨架各种典型薄壁梁结构的截面几何参数和材料特性对其弯曲和扭转刚度的影响,探讨材料轻量化和结构轻量化的实现方法并用以指导车身的概念设计。

1薄壁结构的弯曲刚度特性及轻量化理论

1.1薄壁结构弯曲刚度特性

根据材料力学刚度影响要素，我们很容易推导出结构弯曲刚度公式：KB=fi×E×I其中，fi是系数，与结构的边界约束条件、作用位置有关，不同约束条件的fi值见表1；E是材料弹性模量，与材料有关，比如钢铁、塑料、铝合金；I是惯性矩，与截面形状，材料厚度有关。在常规车身结构设计过程中，结构边界条件相对固定，因此，可以通过选用弹性模量E更高的材料或者优化截面惯性矩I来提高结构弯曲刚度，而对于以钢材为主的车身结构，在车身结构设计过程中，则需要重点提升截面惯性矩来提高结构弯曲刚度。

1.2静态弯曲刚度

一长度为L的两端固支梁如图1所示,在距左端lp处受一垂向载荷P作用。

2典型薄壁结构的材料替代轻量化设计分析

车身结构中的主要承载子结构可以简化为一些复杂薄壁曲梁结构和接头结构。现采用上面提出的设计分析方法，分别对一个悬臂薄壁曲梁结构和一个车身接头结构进行了基于等刚度约束的材料替代设计分析。与传统的结构应变能分析方法不同，上面提出的等刚度薄壁结构的设计分析方法中需要分别计算结构中板壳的膜应变能和弯曲应变能。由于NASTRAN等通用有限元分析软件中目前还没有提供分别输出板壳结构的弯曲应变能和膜应变能的功能，因此作者独立编制了专门的板壳结构有限元计算分析程序ASEAB。该程序可以对板壳结构在各种静态载荷作用下的变形进行计算分析，并输出各个板壳单元的弯曲应变能和膜应变能。程序中采用的有限单元类型为由四边形DKQ弯曲薄板单元与平面应力单元耦合得到的四节点平板壳单元，大规模线性方程组的求解则采用了基于稀疏矩阵技术的改进的2n因子乘积形式的逆矩阵求解算法。将ASEAB程序编写成一个有限元计算分析子程序模块，分别以板壳单元厚度以及弯曲应变能和膜应变能等作为输入、输出参数。

3薄壁结构的屈曲理论及其优化方案

结语

综上所述，车身结构设计是一项复杂的系统工程，虽然通过理论分析难以得到精确的刚度结果，但仍希望工程师具备薄壁理论分析能力。在设计前期阶段，充分理解结构设计要素和刚度、强度、轻量化之间的关系，根据结构使用情况，灵活运用薄壁结构理论知识进行定性分析，设计出合理的截面形状、尺寸及结构搭接方式，在设计后期，再通过计算机辅助仿真进行定量计算来验证设计方案，从而避免盲目设计，进而减少重复验证次数，并能够使用更少的开发投入和开发时间，得到更为优异的车身性能。

参考文献

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