朱燈宏（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

基于薄壁腔體理論的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱燈宏
（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

本文創(chuàng)造性歸納出結(jié)構(gòu)的剛度公式，解析薄壁腔體基本理論，并介紹其在車身結(jié)構(gòu)上的典型案例，最后成功運(yùn)用在某車型車身結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)中，不但提高車身開(kāi)發(fā)的質(zhì)量，也降低了車身的成本；說(shuō)明了薄壁腔體理論在車身結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)中的重要性和必要性。

薄壁腔體； 理論知識(shí)； 車身結(jié)構(gòu)；剛度

朱燈宏

華中科技大學(xué)碩士研究生，現(xiàn)任上汽通用五菱汽車股份有限公司車身集成主任工程師，主要從事汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、車身集成開(kāi)發(fā)工作。

汽車車身通常是指已經(jīng)焊裝好的白皮車身，主要由車身本體、閉合件及其他可拆卸結(jié)構(gòu)件組成的總成。車身本體是保證車身的強(qiáng)度和剛度而構(gòu)成的空間框架結(jié)構(gòu)，是由許多薄壁腔體結(jié)構(gòu)組成的不合拆卸的總成，各個(gè)零部件主要是通過(guò)點(diǎn)焊形式，使車身形成整體式結(jié)構(gòu)，起主體承載作用。

汽車車身的主要功能有：為乘員提供安全舒適的乘坐環(huán)境；提供發(fā)動(dòng)機(jī)及底盤等部件的裝配；美觀的造型。車身的獨(dú)特要求決定了車身設(shè)計(jì)必須滿足以下要求：車身結(jié)構(gòu)剛度必須滿足良好的操縱性和良好的NVH性能；車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須能夠承受在其整個(gè)使用壽命內(nèi)可能達(dá)到的所有靜力和動(dòng)力載荷；車身結(jié)構(gòu)框架必須保證在汽車發(fā)生事故時(shí)對(duì)乘員提供保護(hù)；車身的制造成本足夠低，等等。

在車身結(jié)構(gòu)中，薄壁腔體結(jié)構(gòu)占90%以上，為了滿足車身較高的強(qiáng)度/剛度要求，必須了解薄壁腔體理論并能靈活應(yīng)用，這樣才能設(shè)計(jì)出好的車身結(jié)構(gòu)、降低車身成本，實(shí)現(xiàn)低成本高價(jià)值的車身結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)。

1 車身的薄壁腔體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

車身結(jié)構(gòu)腔體的鈑金件厚度一般為0.7mm～3mm，其厚度遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)腔體的輪廓大小和長(zhǎng)度，稱為薄壁腔體。車身結(jié)構(gòu)框架的截面大部分為薄壁腔體，且通過(guò)焊接將薄板拼接而成，與傳統(tǒng)的土木類的橫梁（“工”字梁）的有很大的區(qū)別，如圖1所示。

車身的薄壁腔體結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的特點(diǎn)，幾何形狀比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性，非連續(xù)性的點(diǎn)焊連接，薄壁容易發(fā)生塑性變形，甚至壓潰（屈曲）現(xiàn)象，因此，其在剛度、強(qiáng)度、吸能等物理性能與“理想”的工字梁結(jié)構(gòu)不完成相同。

2　薄壁腔體的剛度理論及其應(yīng)用

根據(jù)剛度的影響因素，可以把結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度的計(jì)算方法用以下公式來(lái)表示：

扭轉(zhuǎn)剛度：KT=G×J ×fj

彎曲剛度：KB=E×I ×fi

其中，1）、G&E是扭轉(zhuǎn)、彎曲剛度模量，屬于微觀現(xiàn)象，與材料有關(guān)系，不同材料有不同模量，比如鋼鐵、塑料、鋁合金；

2）、J&I是扭轉(zhuǎn)、彎曲剛度常數(shù)（即慣性矩），屬于宏觀現(xiàn)象，與結(jié)構(gòu)形狀、料厚有關(guān)；

3）、fi&fj是系數(shù)，與結(jié)構(gòu)的邊界約束條件、作用位置有關(guān)。 在車身結(jié)構(gòu)中，材料基本都是鋼板，因此，在車身的邊界條件一定的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)的時(shí)，需要重點(diǎn)考慮提高結(jié)構(gòu)的剛度慣性矩，來(lái)提高結(jié)構(gòu)的剛度。

2.1薄壁腔體的剛度理論

2.1.1扭轉(zhuǎn)剛度

薄壁腔體分為開(kāi)口腔體和閉口腔體兩種，其扭轉(zhuǎn)剛度的極慣性矩計(jì)算公式（1）如圖2所示：

由以上理論分析可知，開(kāi)口腔體的扭轉(zhuǎn)剛度常數(shù)與料厚的立方成正比，與腔體的周長(zhǎng)成正比，閉口腔體的扭轉(zhuǎn)剛度常數(shù)與面積的平方成正比，與料厚成正比，與腔體的周長(zhǎng)成反比。由于薄壁腔體的料厚t（0.6mm～3.0mm）很小，因此在相同條件下，閉口腔體的扭轉(zhuǎn)剛度常數(shù)遠(yuǎn)大與開(kāi)口腔體的扭轉(zhuǎn)剛度常數(shù)。

2.1.2彎曲剛度

薄壁腔體彎曲剛度的慣性矩是腔體所有邊界的慣性矩之和，計(jì)算公式（1）如圖3所示。為了計(jì)算方便，圖中采用方形的腔體。由計(jì)算公式可知，腔體的高度對(duì)彎曲剛度常數(shù)影響比較大，且左/右側(cè)壁的慣性矩計(jì)算方法和上/下底面的慣性矩計(jì)算方法不相同。

2.1.3局部剛度

根據(jù)薄壁腔體理論，對(duì)于理想的局部剛度常數(shù)，假定局部載荷是通過(guò)產(chǎn)生彎矩來(lái)影響整個(gè)腔體，則其局部剛度常數(shù)就是和彎曲剛度的計(jì)算公式一致。在實(shí)際中，加載點(diǎn)附近腔體的鈑金產(chǎn)生扭曲變形，這種的扭曲變形會(huì)降低腔體的剛度，同時(shí)導(dǎo)致局部應(yīng)力的增加，如圖4所示：

對(duì)于局部的彎曲剛度常數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式中，t是料厚，h是腔體高度，w是腔體寬度

2.2薄壁腔體的理論應(yīng)用

2.2.1扭轉(zhuǎn)剛度的理論應(yīng)用

車身結(jié)構(gòu)的性能大部分是以剛度為主，其中扭轉(zhuǎn)剛度的尤其重要。對(duì)于整車剛度，可以把整個(gè)車身作為一個(gè)薄壁腔體，所有的車身鈑金件相當(dāng)于薄壁腔體結(jié)構(gòu)的薄壁。為了獲得較大的整車扭轉(zhuǎn)剛度常數(shù)，需要把主要鈑金結(jié)構(gòu)（車架大梁、主要腔體、主要加強(qiáng)板等）遠(yuǎn)離整車的扭轉(zhuǎn)中心，如圖5所示：

對(duì)于車身結(jié)構(gòu)上的腔體，為了得到更加大的扭轉(zhuǎn)剛度常數(shù)，首先就是要選擇閉口腔體，其次，確定腔體的形狀，在相同的腔體面積下，扭轉(zhuǎn)剛度常數(shù)隨著幾何形狀不同而不同，根據(jù)公式，扭轉(zhuǎn)剛度常數(shù)由大到小的幾何形狀是：圓形、正六邊形、正方形、長(zhǎng)方形。

2.2.2彎曲剛度的理論應(yīng)用

根據(jù)彎曲剛度常數(shù)公式，為了得到較大的彎曲剛度常數(shù)，可以增加側(cè)壁，增加腔體的高度，或者減小側(cè)壁的拔模角度，如表1所示。

2.2.3局部剛度的理論應(yīng)用

表1　提高彎曲剛度常數(shù)的方法

從圖4中可知，在局部載荷下，由于薄壁的變形，未能充分利用整個(gè)腔體的剛度。為了更好的利用整個(gè)腔體的剛度，為了提高局部剛度常數(shù)，同時(shí)提高局部載荷的強(qiáng)度，可以通過(guò)以下幾個(gè)方法： 1）通過(guò)移動(dòng)加載點(diǎn)到結(jié)合位置；2）增加剛性的結(jié)構(gòu)零件，抵抗點(diǎn)載荷；3）增加貫穿腔體的部件，使兩個(gè)薄壁結(jié)合起來(lái)，如表2所示：

表2　提高薄壁腔體局部剛度的常用方法

3　薄壁腔體的屈曲理論及其應(yīng)用

汽車的薄壁腔體結(jié)構(gòu)和別的結(jié)構(gòu)失效模式最重要區(qū)別是薄壁腔體屈曲失效。

3.1屈曲理論

對(duì)細(xì)長(zhǎng)的柱或薄壁腔體施加一個(gè)壓力，則壓力在很小的時(shí)候壓縮變形與壓力成正比。但是，壓力一超過(guò)某一個(gè)值，由于在軸線或柱面的垂直方向出現(xiàn)了大的橫向緊縮，減少了承受壓力的能力，最后引起崩潰，把這一現(xiàn)象稱為屈曲，把屈曲產(chǎn)生時(shí)的載荷稱為屈曲載荷，把屈曲產(chǎn)生的應(yīng)力稱為屈曲應(yīng)力，如圖6所示，在屈曲載荷開(kāi)始，部分區(qū)域開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，還能夠承受一定的載荷，當(dāng)?shù)竭_(dá)壓潰載荷，整個(gè)薄壁結(jié)構(gòu)開(kāi)始崩潰，結(jié)構(gòu)承受的載荷急劇下降。薄壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，如圖7所示，當(dāng)載荷小于屈曲載荷時(shí)，整個(gè)截面的應(yīng)力平均分布，如圖7.a所示；當(dāng)載荷大于屈曲載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)兩側(cè)的應(yīng)力急劇提高，很快達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，而結(jié)構(gòu)型面中間的應(yīng)力不變，如圖7.b所示。

對(duì)于薄壁平面結(jié)構(gòu)，屈曲應(yīng)力σCR的計(jì)算公式［1］［2］如下：

其中K是屈曲系數(shù) （不同約束條件下平板的屈曲系數(shù)不同，如圖8所示），E是鋼鐵的彈性模量，μ是鋼鐵結(jié)構(gòu)的泊松比，b是平板的寬度，t是板厚。

3.2抑制屈曲現(xiàn)象

從圖7可知道，對(duì)于薄壁腔體結(jié)構(gòu)，在受到載荷作用下，結(jié)構(gòu)中的某個(gè)型面或者某個(gè)區(qū)域，首先發(fā)生屈曲變形，結(jié)構(gòu)的承載能力會(huì)下降；而在此過(guò)程中，某些型面或者某些區(qū)域的應(yīng)力還是很低。為了提高結(jié)構(gòu)的承載能力，為了提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，需要近量抑制屈曲現(xiàn)象的產(chǎn)生。根據(jù)屈曲應(yīng)力公式（4），可以變形為公式（5），如下所示：

（1）K，即屈曲系數(shù)，與型面、結(jié)構(gòu)的邊界條件有關(guān)，如翻邊、沉臺(tái)；

4　車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

某車型車身在開(kāi)發(fā)過(guò)程，應(yīng)用薄壁腔體理論知識(shí)進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，取得較大效果。

4.1寬大零件的形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)

車身上的大零件，如頂蓋、前隔板、后側(cè)圍內(nèi)板、前/后地板等，屬于薄板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單一，面剛度小，模態(tài)低，容易導(dǎo)致車輛NVH問(wèn)題或者疲勞開(kāi)裂問(wèn)題。根據(jù)以上理論，某車型頂蓋通過(guò)兩個(gè)優(yōu)化方案，不但頂蓋模態(tài)提高8Hz，降噪4dB，頂蓋厚度還減薄，從0.8mm變?yōu)?.7mm，減重1.0 kg以上。

優(yōu)化方案一：提高頂蓋后部的X向和Y向的曲率。X向的弦高由2mm更改為8mm，Y向的弦高由14mm更改為27mm，如圖9所示：

表3　屈曲應(yīng)力影響因素及其應(yīng)用實(shí)例

優(yōu)化方案二：優(yōu)化頂蓋的筋條特征，改變頂蓋的模態(tài)振型。筋條數(shù)量由6根更改為4根，筋條高度由7.5mm更改為5.0mm，筋條寬度由38mm更改為80mm，筋條長(zhǎng)度由1530mm更改為1340mm，縮短190mm。如圖10所示：

4.2減震器安裝點(diǎn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

車身上關(guān)鍵安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度以及振動(dòng)/聲音傳遞函數(shù)，是車身NVH和疲勞性能的最重要指標(biāo)之一，如前/后懸掛安裝點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝點(diǎn)、減震器安裝點(diǎn)等等。根據(jù)薄壁腔體理論：增加貫穿的部件，優(yōu)化減震器安裝點(diǎn)的加強(qiáng)板，并與輪罩內(nèi)板&加強(qiáng)板焊接，提高安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度。如圖11所示：

5　結(jié)論

車身結(jié)構(gòu)是一個(gè)非常復(fù)雜的薄壁腔體鈑金結(jié)構(gòu)組合體，這種結(jié)構(gòu)與建筑學(xué)得工字梁結(jié)構(gòu)有差異，無(wú)法完全通過(guò)理論分析來(lái)得出準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)方案。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，工程師如果沒(méi)有掌握基本的薄壁腔體理論，設(shè)計(jì)思路混亂，結(jié)構(gòu)方案反復(fù)修改，如果完全照搬工字梁理論知識(shí)來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，得出的結(jié)構(gòu)可能不是最優(yōu)的方案。

因此，作為一名車身結(jié)構(gòu)工程師，需要靈活運(yùn)用薄壁腔體理論，運(yùn)用基本的剛度理論知識(shí)來(lái)識(shí)別復(fù)雜的車體結(jié)構(gòu)，提高鈑金結(jié)構(gòu)的物理感知能力，提高車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)質(zhì)量，同時(shí)縮短開(kāi)發(fā)周期。

［1］Donald E. Malen . Fundamentals of Automobile Body Structure Design. CAE Internetional.

［2］黃金陵 汽車車身設(shè)計(jì)［M］。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.9.

［3］林程 王文偉 陳瀟凱。汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)［M］。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.6.

［4］成艾國(guó)，沈陽(yáng)，姚佐平。汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)方法與流程［M］。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.4.

［5］吳興敏，王立剛。汽車車身結(jié)構(gòu)［M］。北京：人民郵電出版社，2010.9.

［6］羅永革，馮櫻。汽車設(shè)計(jì)［M］。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.9.

專家推薦

聶昕：

本文基于薄壁腔體理論，對(duì)車身關(guān)鍵的彎曲、扭轉(zhuǎn)性能進(jìn)行了車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)以后工程師的車身設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用，推薦發(fā)表。

Based On The Thin Walled Structure Theory For Body Structure Design

ZHU Deng-hong
（SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

In this paper ，Creative induced structural stiffness formula，and analyzed the basic theory of thin walled structure，and introduced its typical cases in body structure，and successful used in a vehicle body structure development，not only improvedthe quality of body structure development，also reduced the cost of the body structure ； At last ，it showed that it is importance and necessity for the theory of thin walled structure in the body structure development.

Thin Walled Structure； Theory； Body structure； Stiffness

2016-03-31

U463.82+1

A

1005-2550（2016）04-0045-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.04.008