轿车车身结构件分析与设计技术

2017-10-24邓骞

科技与创新 2017年20期

关键词：顶盖结构件立柱

邓骞

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 510000）

轿车车身结构件分析与设计技术

邓骞

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 510000）

车身是轿车的关键总成，它的结构件影响了整车的性能，决定了整车的力学特性。基于汽车的各种性能，对轿车车身结构件进行设计是目前汽车技术中的一个热点研究内容。主要对轿车车身结构件的设计技术进行了分析，系统地探索了轿车车身结构的设计方法。研究发现，在某三厢轿车车身结构设计中采用该设计方法是可行的，具有较好的性能。

结构件；车身性能；三厢轿车；构件设计

轿车车身是轿车的重要组成部分，车身结构件的合理与美观直接影响了整车的质量，车身结构设计直接决定了整车的安全性、舒适性、美观性以及由车身外形与空气动力性能决定的操纵稳定性、动力性、经济性等。因此，轿车车身结构件设计在汽车制造工业中的重要性不言而喻。但轿车车身结构件设计是极其复杂的系统工程，因此，开展了轿车车身结构件的设计研究。

1 车身性能要求

轿车车身车体结构如图1所示，是由车身底板总成、侧围总成、顶盖总成、后围总成、后隔板总成等几部分构成的。

图1 轿车车身车体结构

车身结构设计在满足造型面、总布置、人机工程和安装空间的前提下，还要满足诸多性能目标要求。这些性能包括车身整体刚性、车身NVH性能、车身局部刚性、车身强度、车身安全性、车身耐久性能、车身轻量化系数。

车身整体刚性关系到车身的弯曲刚度、扭转刚度等；车身NVH性能关系到车身模态、安装点动刚度等；车身局部刚性关系到车门下沉刚性、气囊ECU固定点响应频率等；车身强度关系到车身上安装件固定点强度、顶盖雪压强度等；车身安全性关系到碰撞性能、座掎固定点强度、安全带固定点强度、顶盖抗压强度等；车身轻量化系数关系到车身的轻量化程度；车身耐久性能、耐蚀性则影响着车身的使用年限。在车身性能中，除个别性能与车身覆盖件相关外，大多数性能是与车身结构件相关的。

2 车身结构件的设计方法

轿车车身作为承载式车身，是由众多的梁相互连接构成的框架式结构，当受到载荷冲击时，结构合理的车身能使载荷沿着相互连接的梁向四周发散性传递，实现克服应力集中的效果。

2.1 车身整体结构设计思路

将车身整体结构中的关键部分提取出来可细分为纵向梁结构、横向梁结构、立柱结构及环状路径结构等。

2.1.1 纵向梁结构

车身结构中的纵向梁是车身结构的关键组成部分，它决定着车身的正面耐撞性和弯曲刚度水平。车身前纵梁、边纵梁、顶盖边梁及前托架等构成了车身的纵向梁。

2.1.2 横向梁结构

车身横向梁主要位于车身底板位置和车身顶盖位置，是车身整体结构中不可或缺的组成部分，也影响着车身的侧面耐撞性。

2.1.3 立柱结构

车身立柱主要位于车身侧围处，侧围A，B，C柱都是车身立柱的组成部分，车身前后端也有立柱结构。车身立柱连接车身顶盖与车身底板，除了支撑车体外，对抗击车身侧面碰撞也起到了重要作用。

2.1.4 环状路径结构

纵向梁、横向梁、立柱都是车身结构中的重要组成部分，共同组成框架式车身结构。对车身中的纵向梁、横向梁、立柱的位置和结构进行合理设计，形成多个环环相连的结构。只有这样，才能真正发挥出承载式车身的性能。车身结构中横断面、纵断面、水平面方向的环状路径结构共17个环，对提升车身的扭转刚度、安全性发挥着重要作用。实践证明，闭合的环状结构对抗扭的作用远远大于非闭合结构。

2.2 车身局部结构的设计思路

2.2.1 断面结构

断面指的是车身中梁的断面，载荷传递路径的断面，通常为封闭的结构。在截面尺寸的构建上，截面越接近圆形，其抗扭能力越髙。在矩形截面中，正方形抗扭能力最高，当两边长度之比小于1∶2时，其抗扭能力明显下降，抗弯折能力也与之类似。车身常用的“几字”形断面如图2中的（a）和（b）。从提升防腐能力的角度考虑，一般要求车身内腔板与板之间间隙为5 mm。

图2 “几字”形梁断面

2.2.2 连接结构

连接结构即车身中的接头结构，为了避免车身接头处出现应力集中，需加强接头处的结构设计，一般通过增加接头处截面积和增加接头处叠料厚度加强。

2.2.3 安装点结构

车身上安装点大致可以分为2类：①静态的固定点。比如座椅安装点、安全带安装点、四门两盖安装点、加油口盖安装点、油箱安装点、散热器安装点、电器件安装点及内外饰件安装点等，这类固定点其安装件是不发生运动的，是不产生激励的。②动态的能产生激励的固定点。比如动力总成安装点、排气管安装点、前后悬架安装点等。

静态的固定点一般只考核其强度；动态的固定点除了考核强度之外，还需要考核其动刚度性能。为了提升固定点的强度和动刚度，一般车身上重要件的安装点都要“依梁而居”设计，这样既可以避免设计出复杂的固定支架结构，又可以省材减重。

3 某车身结构件设计

综上所述，车身结构件设计方法的论述设计某轿车车身，在追求高刚性、高强度、高安全性的同时，注重车身零部件的功能集成性设计，注重车身的轻量化。此外，在车身零件具体结构设计、分块设计上，结合冲压工艺、焊接工艺、安装工艺和防腐性能开展工作，力争设计出优质的车身结构。其中，车身中支柱（B柱）为顶端搭接结构。为了避免出现应力集中，在B柱中间加强板与顶盖边梁中间、加强板之间、B柱里板与顶盖边梁里板之间都设置了较大的重叠面积。

对于顶盖后横梁与侧围连接处的结构，为了避免出现应力集中，通过增设加强板增大了接触面积，布局了5个焊点连接。为了提升安装点处的强度，将后排安全带下固定点燃油箱固定点都设置与后地板中横梁相连。

4 某车身性能计算分析

4.1 总体性能

车身性能的仿真分析见表1.与同级车相比，性能较优。

表1 某车型车身性能

4.2 仿真分析举例

正面碰撞前围挡板侵入量最大值仅为126.7 mm，腿部空间较大；侧面碰撞过程中B柱最大侵入量为136.89 mm，生存空间约为209.3 mm，对驾驶人有较好的保护作用。后排安全带下固定点强度分析结果为：后地板塑性变形19.8%，后地板加强板塑性变形16.6%，后承载式地板塑性变形6.9%，都处于较小的范围内，无风险，分析云图如图3所示。