汽車車身零部件強度性能分析與優(yōu)化研究

宋涵藝

摘 要：隨著社會的進步與經(jīng)濟發(fā)展，汽車已然成為了人們?nèi)粘Ｉ畋匦杵罚涫褂寐嗜找嬖黾印１疚木劢褂谄囓嚿砹悴考姸刃阅艿难芯浚⑼ㄟ^各種軟件創(chuàng)建模型來對其進行仿真模擬。同時，還運用新型技術(shù)手段對這一結(jié)構(gòu)展開剖析，其中最關(guān)鍵的技術(shù)在于對車輛強度的評估。通過研究得出結(jié)論：汽車零部件設(shè)計完全滿足實際需求，且它與引擎之間的關(guān)系密切相關(guān)，對此類問題的解決方案已經(jīng)有了明確的方向。

關(guān)鍵詞：汽車零部件 強度性能 優(yōu)化路徑

伴隨著生活品質(zhì)的提升，人們的消費需求已不再局限于基本的生活必需品（如衣、食、住、行），而是更注重商品的質(zhì)量與體驗感。尤其是在交通工具領(lǐng)域，消費者不僅關(guān)注車輛的外觀設(shè)計及品牌形象，還對其駕駛感受和行車安全有較高的期望。在此背景下，汽車的舒適性和安全性成為了決定其市場表現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一。尤其是汽車車身關(guān)鍵部件，其應用廣泛且工作頻次較高，因此需要具備良好的機械性能和運動特質(zhì)。當前數(shù)據(jù)研究表明，許多學者已經(jīng)開始從不同角度探討，如何通過調(diào)整車身設(shè)計以滿足上述需求，進一步加深了公眾對汽車功能及其重要性的認識。

1 汽車車身強度分析目的

車輛的主體承擔了所有與汽車相關(guān)的重量（如停止啟動、剎車、轉(zhuǎn)向、爬坡）及其加速情況，同時車身每個部分都承受不同類型的力和壓力。為確保在正常駕駛過程中的安全性和可靠性，需要保障這些部位具有足夠的力量，防止任何可能導致?lián)p壞或性能下降的情況出現(xiàn)。因此，在設(shè)計初期，就需評估并確認每一個組成部分在各種環(huán)境下所受到的力的程度，以確定其是否超過了該組件自身的耐受能力。如果小于這個數(shù)值，就意味著這一區(qū)域的車身強度不夠，需要進一步強化；反之，如果大于這一數(shù)值，則說明這里的車身強度是達標的。

2 汽車零部件強度研究路線

2.1 零部件載荷確定

零部件強度分析首先要明確載荷，載荷偏差就會導致分析成果存在一定差異，以此載荷是否準確是分析其正確性的主要因素。仿真和試驗載荷大多是由載荷測量、載荷分析等過程確認，載荷測量需要滿足零部件的全部工況，載荷值需要反饋零部件正常工作時的載荷值。載荷一般包括靜載荷與動載荷兩大類。汽車是一個運動型產(chǎn)品，主要承受力會隨著時間變化產(chǎn)生不同動載荷，但由于在長期使用階段，車輛會產(chǎn)生各種形式的損傷，在載荷作用下可能發(fā)生靜強度失效。所以，零部件靜強度校核是基礎(chǔ)。另外，一些零部件處在動載荷長期作用下，會發(fā)生疲勞強度失效，則需要基于動載荷或載荷譜進行疲勞強度校核。不同的強度設(shè)計，應采用不同的計算載荷。

2.2 零部件強度分析方法

汽車產(chǎn)品研制過程中需要進行大量的零部件分析與試驗，包括有限元強度疲勞分析、臺架試驗、整車道路試驗等。研發(fā)初期，有限元分析方法可以幫助工程師對零部件結(jié)構(gòu)強度進行初步評價，提出合理的優(yōu)化措施。進行有限元疲勞仿真可以減少部分疲勞試驗，節(jié)省成本。因此，對于汽車零部件的分析與試驗需要有行之有效的研究路線，運用各種強度仿真與試驗方法，按標準進行零部件分析優(yōu)化。汽車零部件強度分析可以分為零部件級和系統(tǒng)級（總成）分析方法。將零部件從子系統(tǒng)剝離進行單個零部件結(jié)構(gòu)強度性能的分析方法稱為零部件級分析；將子系統(tǒng)整體作為研究對象，考慮到子系統(tǒng)中連接關(guān)系，及其組成零部件之間的相互運動影響的分析方法稱為系統(tǒng)級分析方法。零部件分析方法較系統(tǒng)級來說更簡單易行，流程更加規(guī)范化，分析結(jié)果更能反映零部件單獨受載情況下的強度性能。因為系統(tǒng)分析法能夠涵蓋所有相連的部件，它們構(gòu)成一個整體并存在非線性的聯(lián)接關(guān)系和運動關(guān)系，所以能更精確地模擬部件的工作狀態(tài)。

3 車身零部件強度性能分析試驗設(shè)計

3.1 探究對象

車身零部件包含細致多變的構(gòu)造，并且需要與之對應的各項分析技術(shù)和系統(tǒng)完成檢測，才可獲得車身零部件的強度性能，綜合影響零部件強度的各項因素，科學合理的設(shè)定多元研究方案，也可設(shè)置不同參數(shù)零部件數(shù)據(jù)完成模擬練習。在此探究過程中，可以將車門作為研究對象，尋求使用這一零部件分析的模式和探究方案，旨在了解這一車門在應用過程中強度、剛度下沉的主要因素，綜合實際情況設(shè)定測試方案。基于當前車輛生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各項工藝，大多選用鉸鏈固定的形式完成測試，部分車輛測試會選用滑移式方案。內(nèi)外板主要構(gòu)件也是車門的基礎(chǔ)構(gòu)成，可以滿足人們最基礎(chǔ)的開關(guān)門需求。裝配在車門上的門鎖、鉸鏈、限位器等零部件，是為了確保車門良好的封閉性。車門受力源自于人們開關(guān)階段，大多也會受鉸鏈等因素的影響。車門開力較大，受力就會受限位器影響。車門是汽車的關(guān)鍵構(gòu)成部分，需要確保其可以承受來自外部的沖擊，面對各種沖擊不會發(fā)生較大形變。因此，在測試環(huán)節(jié)，需要重視對車門的輕度測試。

3.2 車門有限元模型構(gòu)建

以車輛的左前門為例，綜合有限元分析等形式，主動探究這一零部件使用強度。主要包含車門的外殼、內(nèi)殼，在車門外殼上加入加強板，在車門內(nèi)殼、鉸鏈、防撞梁等位置安裝加固板，并對此類關(guān)鍵位置進行拆解。針對當前手工藝方案，選用的零件材料都是非時效性極深沖用鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、鋁青銅等等。這一模型應用實踐指的是在構(gòu)建過程中，可以運用網(wǎng)格區(qū)分不同區(qū)域，并以此進行零件清洗，選用十毫米規(guī)格的四邊形完成部位清洗，便于處理細小位置的臟東西，也可建設(shè)CATTA模型。因為車門位置零部件構(gòu)造十分復雜，各部位受力數(shù)值有所差異，在構(gòu)建模型過程中要設(shè)置合適的數(shù)值完成模擬關(guān)系。此模型設(shè)定要結(jié)合acm單位確定焊點，也可運用剛性單元完成螺絲銜接。

3.3 汽車車門過開強度分析

車門是獨立存在的，其所需性能強度對于車輛使用安全而言，有著十分深遠的影響。車門所使用的強度不足，隨著時間的推移，會導致其內(nèi)部系統(tǒng)產(chǎn)生部分老化或是受損害的情況，導致這一車輛使用性能不佳，或是無法順利關(guān)閉車門。因此，在這一設(shè)計環(huán)節(jié)，需要借助分析方式，探究其使用性能是否滿足設(shè)計的整體需求，并且為后續(xù)優(yōu)化方案，提供一定參考。以下是關(guān)于選擇的汽車型號的研究中的例子：將使用CAE建模來仿真車輛行駛的過程，并對相關(guān)部件（例如車門和連接件）及其限制裝置系統(tǒng)的抗力性進行了數(shù)值計算與評估。為了保證結(jié)論精確無誤，需要添加部分零件到構(gòu)建好的車輛力學結(jié)構(gòu)上，最后形成的一個完整且詳細的設(shè)計方案。

需要設(shè)定限制條件來構(gòu)建有限元模型。考慮到車輛的車門重量和其在鎖定點的壓力分布情況，將車門向打開方向推到最大的開放度。然后，通過模型的處理階段，可以獲得車門在超出正常范圍時所產(chǎn)生的移動范圍。從四個選定的測量點獲取相應的運動信息，結(jié)合這些數(shù)據(jù)，可以精確地確定車門超過正常工作區(qū)域的角度，從而有效評價車門的工作性能。在車門處于過度開啟狀態(tài)時，不僅會引發(fā)車門受力變形，還可能使得限位器和鉸鏈部位產(chǎn)生較大的壓力。如果這個壓力值超出了規(guī)定范圍，就會導致車門長期變形，從而無法正常打開。因此，針對這一模型的分析，需要考慮汽車零部件的受力數(shù)值，結(jié)合相應的云圖，判定這一應力值和零部件材料使用應力之間存在的差異性。車門限位器主要做到的是限制其開關(guān)角度和速度，也是承受外部壓力的重要承載部分，需要重點關(guān)注其強度性能。當車門達到最大開啟角度時，限位拉桿將處于最大行程。通過應力云圖分析，可以得出在最大應力位置的應力值與零部件材料的許用應力之間存在偏差。另外，在分析的過程中，也可進行云圖進行，明確這一位置的載荷，分析其位移值能否滿足各項設(shè)計要求。鉸鏈在工作的過程中不僅要包含承受外部的力量，同時也要和限位器同時進行工作，需要限制這一車門開關(guān)合度，在工作測試過程中，了解其最大應力位置和應力值以及數(shù)據(jù)偏差。

本次實踐探究的零部件最大應力值和位移值都能滿足車門開合過大的需求。值得注意的是測試方法，驗證車門開關(guān)強度能否滿足車輛運營的需求。這一驗證方案要選用合理的測試工藝完成最終組裝，并將測試模型放置在開闊空間內(nèi)，然后借助方向裝置和位移傳感器，設(shè)定測試狀態(tài)下的各項參數(shù)，并結(jié)合測試模型完成分析。如果車門開合較大就會無法完成精準檢測，也可選用多位點完成各項數(shù)值換算，并且最終獲取車門過開范圍。測點位置也要設(shè)定區(qū)間，并且在設(shè)定范圍內(nèi)劃分加載點，在實驗過程中將車門開放至最大角度，用于測量車門位置和系統(tǒng)之間的銜接性，確保各項數(shù)據(jù)初始數(shù)值為0。然后選用緩慢升級的形式，分別測定不同壓力下的數(shù)值，在完成零件卸載。重復上述操作三次，將獲取的各項數(shù)據(jù)匯總，并計算其平均值為最終結(jié)果，利用測定點位移計算出過開角度。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，這一測試值和有限元模型分析誤差在百分之五以內(nèi)，由此證明仿真實驗結(jié)果的精準性，車門強度性能分析中可以實踐應用。通過實踐研究表明車門過開可以滿足車身設(shè)計需求，也展示出鉸鏈基礎(chǔ)限位和限位器銜接之間存在滯后性。當處于統(tǒng)一情況下，位移變化緩慢問題也會暴露，需要在車身設(shè)計環(huán)節(jié)優(yōu)化完善。

3.4 車門下沉剛度有限元分析

實際生活中多存在車門受損或是產(chǎn)生垂向力的情況，不僅不利于零部件使用，也影響其存在的美觀性，進而導致車門無法順利關(guān)閉，在完善車身設(shè)計時，需要綜合下沉剛度分析，尋求影響車門性能的主要因素，并為后續(xù)車門設(shè)計提供優(yōu)化方案。車門零部件下沉剛度和檢測流程與汽車強度分析流程類似，在優(yōu)化設(shè)計過程中可以選用同樣的分析模式，尋求其中數(shù)據(jù)變化的關(guān)鍵因素，并且選用合適時機完成各項優(yōu)化流程，進一步增強車身零部件使用性能和強度，滿足人民群眾的實際需求，增強汽車生產(chǎn)質(zhì)量。

3.5 車身零部件的優(yōu)化形式

3.5.1 材料方面的優(yōu)化

材料本身屬性也是影響零部件加工的關(guān)鍵因素，材料類別不同也使其性能有多差異。因此，選取材料時，首要關(guān)注其各項數(shù)據(jù)，并合理選材，綜合當前時代發(fā)展背景，鋁合金材料使用范疇較廣，也可將其設(shè)定為材料首選。比如，針對齒輪材料的選取，需要確保其使用階段存在彎折強度，且有一定的韌勁，便于滿足生產(chǎn)工藝的需求。其次，關(guān)于零部件材料檢測和質(zhì)量管控，需要選用集中性管理模式，溯源其使用機制，并就其存在的問題，最好記錄并分析，找出問題批次，便于后續(xù)材料管理。

3.5.2 針對零部件構(gòu)造優(yōu)化

零件不同位置優(yōu)化整合旨在其強度和性能層面的整合，借助個性處理手段，加強車身材料的性能參數(shù)。重要包含三種優(yōu)化模式：第一，加強車身位置零部件使用的厚度，結(jié)合其使用材料的屬性，滿足不同測試和使用需求，也可增強其使用壽命。第二，關(guān)注構(gòu)造優(yōu)化，將原有的平面式構(gòu)造轉(zhuǎn)化為U型模式。也可在車身零部件中增加R角，生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，需要集中物體受應力，方可更好的提升車身使用性能，完備其基礎(chǔ)構(gòu)造。第三，在合適的位置加入零部件，旨在了解其受力范圍，有效提升使用性能和強度。綜上所述，集中處理模式都是輕量式以及科學設(shè)計融合的，在測試過程中選用相互交叉的測試形式，尋求最佳的測試方案，以此滿足各項測試實際需求。

3.5.3 優(yōu)化各項加工工藝

針對車身零部件加工工藝，需要明確各項基礎(chǔ)零部件的使用性能，明確其使用強度，科學合理的選用生產(chǎn)加工工藝，尤其是新能源技術(shù)領(lǐng)域的延伸拓展，也會對這一生產(chǎn)使用成本產(chǎn)生十分深刻的影響。綜合社會發(fā)展需求，尤其是新能源領(lǐng)域的變化背景，多種新型手工藝建設(shè)使用，可以選用新型鑄造工藝、焊接技術(shù)等手段，提升車身零部件生產(chǎn)水準，在增強車身性能和強度的同時，盡可能的減少生產(chǎn)使用成本，增強汽車在產(chǎn)品市場的競爭力。

4 結(jié)語

對車輛配件的強度測試與評估是一個繁瑣的過程，需要全面考慮到多種影響元素，包括負載的多樣化、零件強度的波動性和外部及內(nèi)在因素對這些變量產(chǎn)生的影響。鑒于我國剛起步的自有車型研發(fā)階段，仍需大量的基礎(chǔ)研究任務(wù)完成，例如構(gòu)建材料疲勞數(shù)據(jù)庫、推導出強度標準、累積實踐經(jīng)驗等。隨著計算機CAE技術(shù)的進步，現(xiàn)如今的疲勞耐用度分析變得愈發(fā)便捷高效，然而實際操作中，實驗臺架依然是最主要的強度評定工具。本篇簡述了我在這一領(lǐng)域開展的部分工作，希望能夠引發(fā)思考并有所啟示。

參考文獻：

[1]蔚旭東.公交車鋁車身關(guān)鍵零部件優(yōu)化與整車疲勞耐久性研究[J].2023-09-12.

[2]陳剛強.基于側(cè)碰安全性的高強度鋼車身拼焊板零件設(shè)計方法研究[D].湖南大學，2023-09-12.

[3]程威.車身超高強鋼熱成形件沖壓工藝及模具結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計研究[D].湖南大學，2019.

[4]劉倩鄭小平張榮華田亞強陳連生.新型汽車用高強度中錳鋼研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].材料導報，2019，033（007）：1215-1220.