關于汽車車身結構的布設與安全性分析

宛仕超 馮曉軍 楊龍 萬志偉 游小勇

摘 要：隨著我國汽車保有量的快速增長，以及公路交通建設尤其是高速公路建設的快速發(fā)展，車輛的運行速度不斷加快且事故發(fā)生率也在不斷提高，這些都對車身結構及其安全性提出了許多新的要求。本文對車身結構布設給汽車的性能及安全性造成的影響進行了分析，并在此基礎上對車身結構布設的安全性優(yōu)化措施進行了探討。

關鍵詞：汽車;車身結構;結構設計布設;安全性

1 引言

汽車已經(jīng)成為了現(xiàn)代人們生活出行的一種重要工具，給人們的生活和工作帶來了極大便利。這一方面說明我國的經(jīng)濟社會發(fā)展取得了顯著成就，但同時也對汽車的性能和使用安全性提出了更高的要求。汽車的車身結構布設對汽車的使用性能和外表美觀影響重大，但最為重要的是會影響到車身結構的安全性，必須引起充分的重視。

近年來，隨著我國汽車保有量的快速增長，以及公路交通建設尤其是高速公路建設的快速發(fā)展，車輛的運行速度不斷加快且事故發(fā)生率也在不斷提高，這些都對車身結構及其安全性提出了許多新的要求。本文正是基于這一現(xiàn)實出發(fā)點，對車身結構布設給汽車的性能及安全性造成的影響進行了分析，并在此基礎上對車身結構布設的安全性優(yōu)化措施進行了探討，希望對推動相關工作的發(fā)展能夠有所借鑒。

2 車身結構布設對汽車性能的影響

如果將汽車比作人體，那么發(fā)動機相當于心臟，而車身結構則相當于骨骼，車身結構布設地是否合理，會對汽車的安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性、動力性以及舒適性等造成直接影響，以下將進行具體分析安全性方面?，F(xiàn)代汽車使用者對汽車的使用安全性愈發(fā)重視，而汽車的車身結構、車身材質以及發(fā)動機都是影響汽車使用安全性的直接因素。

3 車身結構安全性影響因素分析

上文已經(jīng)提到，當前社會人們對汽車的使用要求更加強調對安全性的重視，而車身結構又是關乎安全性的直接影響因素，因此對車身結構布設的安全性進行研究具有重大現(xiàn)實意義。

3.1 車身承載力

車身的承載力主要指車身骨架結構對載物的承受能力?，F(xiàn)實中經(jīng)常遇到的超載翻車事故就是載重超過了承載力引發(fā)的?？紤]到汽車不同的工況會使得承載力出現(xiàn)不同變化，比如正常行駛狀態(tài)、轉彎狀態(tài)、制動狀態(tài)和緊急制動狀態(tài)下的車身承載力均不相同，所以承載力的研究除了需要考慮汽車重量外，還必須考慮汽車使用時的不同工況因素。

3.2 汽車骨架結構

對于承載式車身，車身骨架結構的設計布設會影響到強度和剛度，而這也是安全性研究中最重要的兩個指標。承載式汽車如轎車、客車等，其車身主要包括前端、中部和后端三個部分。前段由前圍板、前圍內側板、縱梁和兩側擋泥板組合形成了一個具有較強剛度的車身輪廓;車身中部由側圍、前后圍板、頂蓋、窗框等組成，形成盒狀車身主體;后端則主要由底板和輪內輪外組成。承載式車身依靠發(fā)動機和底盤組成的汽車基體承受車身結構的負荷，這與非承載式車身依靠底盤大梁架來強化車身承載力有很大區(qū)別。因此，針對非承載式車身的骨架承載力進行研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

4 車身結構布設的安全性優(yōu)化建議

4.1 汽車碰撞安全性分析

現(xiàn)實中，車身結構布設要充分重視安全性，而考慮到汽車發(fā)生事故主要是因為正碰引發(fā)的，所以在進行車身結構布設時需遵守安全性設計原則，具體需要滿足以下幾個條件：盡量降低乘客受到的沖擊;轉向柱后移量和前圍板侵入量較小，最大限度保證車上人員的生存空間。此外，在汽車碰撞安全性分析中，車上結構安全部件材料的匹配優(yōu)化設計也非常重要?？梢酝ㄟ^敏感度分析確定對汽車碰撞安全性影響較大的關鍵部件，然后再通過近似模型優(yōu)選和多目標優(yōu)化選擇方法對結構部件的布設及其厚度和材料性質進行科學確定。這里需要特別強調地一點是，車身結構布設時要注重部件間的連接過渡，實現(xiàn)材料、厚度的連續(xù)變量、離散變量的混合優(yōu)化。

4.2 科學選擇汽車關鍵安全部件

在車身結構設計與布設時，科學選擇關鍵安全部件也是提升安全性的重要舉措。首先，應該建立車輛碰撞仿真模型，推薦采用“美國國家碰撞分析中心”的“FordTaurus整車模型”。我國針對該模型專門進行了仿真數(shù)據(jù)和實際實驗數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)兩個結果的一致性較高，即說明采用該模型進行仿真計算具有較高可信度。此外，也可以對車身結構布設進行數(shù)字建模，并利用CAE技術對其碰撞安全性進行模擬仿真。然后，在仿真模型建立的基礎上，對碰撞中的車身結構傳力路徑進行分析。第三，對所布設車身結構的吸能作用進行分析，即分析傳力路徑上布設部件的能力傳遞，確定主要吸能部件，這也是保障汽車碰撞安全性的關鍵部件所在。

4.3 敏感度分析

在汽車車身結構布設及其材料配置優(yōu)化方面，可以采用正交試驗的方法進行分析，并據(jù)此得到關鍵安全部件的敏感度情況，為多項影響因素間的優(yōu)先級關系判定提供明確依據(jù)。考慮到一般車身結構的材料都為高強度鋼，而這種材料的成本一般都較高，所以必須確保此類結構布設被改善或其材料被替換后，能夠促進安全性得到優(yōu)化改善，這樣才能真正降低車身結構設計開發(fā)中的花費成本。因此，可以針對車身結構布設及其材料的敏感度進行分析，并依據(jù)分析結果對布設結構及其材料變化具有較強敏感性的部件進行確定。在此基礎上，可以利用各種優(yōu)化措施和算法對結構布設及其材料變化進行優(yōu)化處理。事實上，通過敏感度分析可以發(fā)現(xiàn)，汽車車身結構的布設尤其是材料配置必須保持一個度，單純增加材料強度不一定能夠強化安全性，甚至有可能使布設結構的材料變量越來越差，這種安全性強化方法并不可靠。

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