關于如何優化設計汽車車身結構安全部件材料的分析

曹媛媛

摘 要：隨著經濟的發展，人們生活水平不斷提高，汽車數量也不斷增加，已經成為人們日常出行的重要工具之一。而隨著人們安全防范意識的提高，對汽車各種性能的要求也不斷增加。汽車的車身結構對汽車安全有著重要影響，事關人們生命安全，如何對其進行優化，特別是對于安全部件材料方面，也愈發引起人們的重視。本文主要對如何優化設計汽車車身結構安全部件材料進行分析，以便為相關行業的發展提供借鑒。

關鍵詞：汽車車身 結構 安全部件 材料

Analysis on how to Optimize the Design of Safety Component Materials for Automobile Body Structure

Cao Yuanyuan

Abstract：With the development of the economy， people's living standards continue to improve， and the number of cars is also increasing， which has become one of the important tools for people's daily travel. With the improvement of people's awareness of safety precautions， the requirements for various performances of automobiles are also increasing. The body structure of a car has an important impact on car safety and is related to people's life safety. How to optimize it， especially in terms of safety parts and materials， has also attracted more and more attention. This article mainly analyzes how to optimize the design of safety component materials for automobile body structure in order to provide reference for the development of related industries.

Key words：car body， structure， safety component， material

1 引言

當今社會，汽車在日常生活中的作用越來越大，和人們的關系也愈發緊密，已經成為人們出行必不可少的交通工具之一，為人們帶來很大便利。但是隨著汽車數量的增加，各種交通事故的數量也在不斷增加，汽車碰撞事件屢見不鮮，對人們生命財產帶來很大威脅。如何確保汽車安全性，就成為人們廣泛關注的問題之一。在汽車受到碰撞的設計環節，需要對車身結構部件進行選擇，選擇關鍵的部件對其進行強化，進而使車身滿足耐撞的要求。而且汽車自身零部件的功能和數量都比較復雜，如何在對眾多部件材料進行組合與選取時，依托不同材料部件的選擇也會越來越多，可選材料組合的方式也會不斷增加。那么如何與汽車車身實際情況相結合，選擇出最佳部件對車身進行優化至關重要。

2 汽車碰撞安全性設計

2.1 安全性設計的原則

一般來說，汽車如果在正面受到碰撞時，必須要擁有優越的安全性能，這里就要從汽車的車身出發，要求車身結構需要具備吸收能量的性能，確保汽車在遇到碰撞后，可以對車身受到的動能進行有效吸收，進而對車體的加速度進行滿足，對入侵的能力進行有效控制和配置。所以汽車安全性設計需要滿足以下兩點原則：第一，需要保持駕駛員和乘客艙的速度維持在比較低的標準上，以便汽車在受到撞擊后，防止車內人員因撞擊而受到很大的沖擊影響。第二，前圍板的侵入量和轉向柱的后移量也要保持在較小的范圍內，進而使車內人員的生存可能性得到有效提高，盡量防止人員因撞擊而受到較大傷害。

2.2 優化設計汽車材料配置

對汽車的安全性進行設計與實施時，其對象的選擇通常也都有很大的主觀特性，而且實際設計時經常存在一些問題，比如對其材料以及厚度之間的交互問題沒有進行全面考慮，這一問題對汽車安全性有很大影響。所以在進行設計時，需要深入了解和分析，和能量的分布以及傳導路徑等相結合，對選擇的部件進行設計與分析，進而對汽車在遇到碰撞時的安全性影響進行明確，以此有效解決設計時選擇對象非常困難的問題。此外，對設計對象進行選擇時，盡量要使用多目標優化以及模型模擬方法對材料以及材料的厚度進行優化，要對材料與厚度之間的交互性等進行全面考慮，進而使材料與厚度之間實現混合性優化的目的，而且因為汽車在碰撞設計時的對象相對比較隨意，為了提升方案的科學與完善，就需要對全部材料進行優化設計，進而有效提升設計的科學與準確性，保障汽車在遇到碰撞后，對汽車安全有很大影響的材料都能作為設計的主要對象，具體如圖1。

3 汽車重要部件安全分析與優化

3.1 汽車傳力路徑分析

汽車在遇到正面碰撞后，會存在應力流動，可以由此進行深入、全面的分析，進而對汽車車身中哪些部件會在正面碰撞中有效發揮作用進行明確，真正了解到各部件的時間作用，具有可以從以下幾方面出發：第一，如果汽車與汽車前方的剛性障礙出現碰撞時，一般來說車身前保險杠就很可能因為碰撞而出現擠壓和變形的現象，然后會直接把這種力的作用傳遞到上縱梁，隨后會往上傳遞，最后會傳遞到車輛的后方位置。第二，汽車在和剛性障礙進行碰撞時，汽車前面的保險杠會因為擠壓而變形，把力傳遞給前縱梁，然后在傳遞到縱梁的下方部位，接著傳遞到門檻梁與地板縱梁。第三，汽車在和剛性障礙進行碰撞時，汽車車身的下方很可能受前輪胎的作用，前輪胎會把受力直接傳到上方，然后轉到門檻梁，最后在向車輛后方傳遞。

3.2 能量分部分析

要對傳力路徑主要部件的能力進行分析，就要對相關部件在路徑中能夠發揮的吸能作用進行明確，進而以此為基礎對汽車在遇到正面碰撞后可以發揮作用的部件進行明確。通常汽車在出現碰撞現象后，汽車的車身上端柱發揮的吸能作用會比下端柱的作用小，因此可以直接判斷，汽車車身以及乘員艙中發揮實際吸能作用的大部分還是車身下端傳力路徑承擔，所以可以借助不同部件之間能力比例情況，對出現碰撞時發揮作用的部件進行確定。

3.3 敏感度分析

對汽車車身的結構進行設計，對材料配置進行優化時，可以直接使用正交實驗方法對其進行科學分析，然后擴大研究范圍，對相關部件實際敏感度情況進行研究，進而了解涉及到的多種影響因素對汽車車身安全性能帶來的主次關系。通常來說，車身的結構材料質量都比較好，一般是使用強度非常高的鋼制作而成，但是如果使用這種強度非常高的鋼材，那么其成本也會大大增加，為此要想對車身結構進行優化，就要確保如果高強度的鋼材再被替換后，新選擇的材料也要有相同的作用，即如果汽車發生了碰撞現象，新選擇的材料也要確保車身能夠發揮鋼材的效果，這樣才可以有效降低對汽車進行設計時，由于車身的材料而帶來的浪費成本現象。為此，可以對汽車車身所有部件材料敏感度進行分析，然后和分析得出的結果相結合，選擇出材料的變化局內敏感性的部件，接著以此為基礎，對這些材料部件的厚度進行多目標優化措施處理。在實施敏感度相關分析之后，就可以發現，汽車的車身結構材料強度有一定的限制，必須要維持在一定的度，如果材料強度持續增加，其結果并不一定是正面的，有可能導致材料部件變量不斷變差，所以使用單純提升材料強度的方法并不是很可靠，而是要借助研究找到其中的度，在確保材料強度的同時，不對材料的其他功能產生影響。

3.4 汽車車身結構材料配置優化設計方法

當前，針對汽車車身材料的配置問題，存在眾多分析方法，通常來說都是要建立起多種不同數學模型，然后借助模型對材料配置進行統計和分析。但是，不管使用什么分析方法，都要考慮到一個關鍵性問題，那就是汽車車身部件材料以及厚度之間的交互性問題，比較常見的就是把離散變量直接作為連續變量，接著以此為基礎，對其最優點進行調整，使其調整到相應離散值，借助這一方法可以使其局部得到最優的處理。而且，還能夠把連續變量實施離散化處理，如果離散化方法出現了差異性時，也可以在這一基礎上，達到局部最優結果。還可以借助遺傳算法進行處理，這一方式需要借助計算機，屬于編碼范圍，對所要進行處理的實際對象的性質，并沒有嚴格的要求，那么它的處理對象可以使離散連續混合性便利，也能夠對設計內的多個點進行優化和評價，使用這種方法，其在整體的搜索性能也比較良好。

4 結語

總之，對汽車的車身結構安全部件材料進行優化設計非常重要，需要引起相關人員的重視，加大對相關材料的研究，加大對碰撞試驗的分析，切實把握對汽車安全有重要影響的材料，進而采取針對性措施提升材料性能，提升汽車安全性能，確保車輛在遇到碰撞后，能夠對車內人員提供有效的保護。

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