车身薄壁梁结构轻量化设计的理论分析

1 车身轻量化的设计思路与发展

车身轻量化的设计所涉及到的学科较多, 包括生产工艺的改进、人体工程学理念、工业机械设计、材料科学、经济学等。因此轻量化不是单纯的依靠材料、工程技术就可以解决的问题。目前, 轻量化设计主要的发展趋势有:车身材料的轻量化;车身结构的轻量化。其中, 材料的轻量化已经成为了车辆轻量化设计的主流思想之一, 即采用质量较轻的材料包括金属和非金属, 如高度钢材、镁铝合金、工程塑料、碳纤维、陶瓷、玻璃以及各种试制的复合材料, 以此达到降低车辆重量的目的, 而后者则是利用有限元和优化所设计等理论对车辆的结构进行改进, 使得零部件更加的轻薄化, 中空、缩小以此减轻车身骨架和钢板的质量从而达到减轻重量的目的。实际上二者之间的联系是十分紧密的, 即结构和材料的轻量化是分不开的, 结构的优化需要高强度的材料来支撑。如:在车身轻量化设计中结构优化主要是指对结构的尺寸进行优化、机构形状优化、结构拓扑优化等。而大多数就是集中在机构的尺寸优化, 产生的效果被限定在特定的布局之中。拓扑优化是在结构相对固定的情况下寻求最为合理的优化方法。其目标是一种准则, 在满足各种约束条件下在结构上进行改进, 除去不必要的机构和材料, 成为结构上的最优。目的是获得最大的刚度。而拓扑优化的自由度较大, 常常用在最初的概念性设计。

2 车身薄壁梁结构轻量化设计的理论分析

2.1 关于薄壁梁刚性的计算分析

在结构进行轻量化设计是首先应进行几个假定, 所有梁结构的沿长度方向都为等截面;设计中比较的梁结构为等长度;设计时考虑两端固定支撑的情况;按照材料力学的计算方式可以推导出固定支梁的弯曲和扭转刚度。具体情况如下。

(1) 静态刚度。

一个长度设定为固定值梁结构, 其长度为L, 在其两端的一侧, Lp所受到的一个垂直向的载荷P。按照材料力学的分析, 其在受力点说受到的静态弯曲刚度可以利用公式进行计算得出, 与之相关的参数为材料的弹性模量和截面对弯曲中性轴的惯性力矩。

(2) 静态下的扭转刚度。

按照两端固定支梁的静态扭转模型进行分析, 其受力点所产生的等效的静态扭转刚度, 影响这个扭转刚度分别为扭转载荷、材料的剪切模量、截面对扭转中心的惯性力矩。

2.2 薄壁梁截面与轻量化的关联

在薄壁梁结构的轻量化过程中需要借助的是对截面受力刚度的评估作为设计的基础, 因为无论是如何改变薄壁梁的结构或者材料都需要建立在满足其刚度需求的基础上, 因此在对薄壁梁进行轻量化设计的时候应当从轻量化结构对刚度影响上出发, 进行优化设计。所以下面就截面、材料对刚度的影响进行研究, 同时在研究中假定材料特性和作用点、结构长度是固定的。

(1) 轻量化与弯曲刚度。

(1) 矩形结构:架设薄壁梁结构为矩形如图1, 利用惯性力矩、质量、与截面的高宽等关系的数学模拟计算, 可以得出从轻量化的角度看, 增加h可以明显提高弯曲的刚度, 而增加厚度t虽然增加了刚度但是质量也明显提高, 两者是相互抵消的, 单位质量所产生的刚度没有改变;增加b的时对刚度影响较弱。同时在材料的密度上看, 材料密度可以影响轻量化的效果。

(2) 圆形结构:架设薄壁梁为圆形如图2, 利用力学分析可以获得其惯性力矩, 从轻量化的角度看, 增加圆筒的截面直径是可以明显提高弯曲刚度的;增加壁厚则没有效果。与矩形的截面相似, 密度的改进可以实现轻量化。

2.3 材料对轻量化的影响

在对材料进行分析的时候, 本文采用的是常见的车辆薄壁梁材料镁和钢, 在不同情况下的对比来分析材料与轻量化的效果。

(1) 材料对刚度的影响。

按照前面的设定, 在矩形截面的情况下, 利用镁材料和钢材料的弯曲刚度质量系数之比来衡量材料对轻量化的效果。得到的结论是当截面积相同的时候, 镁材料的刚度质量系数为钢材的93%, 说明如果获得相同的刚度, 需要钢材的质量是镁材料的93%。

当弯曲刚度相等时, 镁材料和钢材料之比如下:如果结构厚度一致则镁材料和钢材料比为1.68;高度和宽度相同时, 镁材料和钢材料比为4.7, 即在相同的弯曲刚度下, 宽度和高度相同, 镁材料需要比钢材料多7%, 厚度则为钢材料的4.7倍;当厚度相同形状相似, 镁材料则为钢材料质量的38%, 而尺寸为钢梁的1.68倍。

(2) 圆筒型薄壁梁。

通过前面对圆筒形薄壁梁的分析, 镁材料和钢材料之间的弯曲刚度和质量系数之比为0.93。即当薄壁梁圆筒直径相同的时候, 镁材料的弯曲刚度质量系数为钢材的0.93倍。

3 结语

在对汽车的薄壁梁结构轻量化设计中, 在满足空间尺寸限制的前提下, 增加矩形截面薄壁梁的高度为来提高梁的弯曲和扭转刚度的方案是比较合理的, 增加宽度仅仅可以提高其扭转的刚度, 而对壁厚没有任何的改变;对圆筒型截面而言, 直径的增加可以提高弯曲和扭转刚度, 而且方案最佳, 改变壁厚则对其轻量化没有明显效果。而从材料的角度分析, 如果不改变原有的结构, 即截面积和外形尺寸不进行任何改变的情况下, 利用轻质的镁材料代替钢材料, 对于矩形和圆形等闭环截面是无法获得同等的弯曲或者扭转刚度的。所以, 在保证空间尺寸约束的情况下, 就只有通过增加外形来提高单位质量的刚度。综合的看, 改变结构和材料必须围绕着结构的刚度需求, 即在任何情况下薄壁梁都可以产生足够的支撑力来保证车辆的承载和安全。

摘要：车身轻量化的设计主要是利用结构力学和材料力学等学科, 对车辆的结构在不影响安全性情况下进行的减轻质量的优化设计。从目前的设计思路来看, 一种是对结构形式的改进, 一种是对材料的改进, 而不论哪种改进都需要建立在安全性即结构刚度满足车辆安全的基础上, 因此轻量化的设计理论应立足在满足结构刚性的基础上。

关键词：轻量化,结构刚度,结构形式,材料改进

参考文献

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