汽车车身结构设计及其轻量化方法运用分析

摘要：电动汽车是国内未来汽车行业发展的主要趋势之一，汽车设计时，设计其主体构件是首个步骤，设计时要认真分析其环形结构与力的传输路径，而后完成车身结构的2D与3D设计，掌握四个典型断面的设计要点。为实现对汽车车身的轻量化设计，可采用的方法有运用新工艺、新材料及完善车身设计过程等。

关键词：汽车;车身结构设计;轻量化;方法探究

汽车车身轻量化设计有助于减少车辆制造费用、节省材料等，车身设计时基本上是将实现功能、性能作为主线，把安全风险控制作为目标，会涉及到项目前期研发、概念规划、工程完善及零部件研发等内容。依照车身结构的差异，可以将其分成非承载式、承载式两种类型，相比之下，承载式车身对抗弯曲与抗扭转刚度提出较高要求，但运行时会出现较大噪音、振动声响，但因这种车身自重较轻、高度偏低、组装简单、经济性较高、便于大规模制造等，当下很多轿车、城市SUV均选用了这类车身结构。本文中研发的小型汽车，车身设计时就选用了承载式结构。

1 汽车车身结构设计

1.1 主体构架

主体架构设计时汽车车身结构实现细致化设计的重要基础。在计算机辅助技术协助下进行，具体是先依照整个车辆部署空间，建立主体框架走势的仿真模型，完成拓扑优化处理，结合处理及工程初期可行性测评结果，科学设定出主体框架的走势。构建框架时尽量建设环形结构，少用或不用悬臂梁。这主要是因为由基础力学模型能发现一侧固定的悬臂梁不管是在均布载荷或集中载荷下，弯矩及剪力均高于两端支撑的简支梁，这也就预示着在相同工况下，悬臂梁的结构刚度和耐久性均不足。

由图1发现，设计车身主体结构时，主要是用X、Y、Z 向环的共同构架。其中，X 向环有尾部、前尾、前端框架分别有3、10、8环;Y向环上分布了门框5环;Z向环被分成上、下部 Z 向环，其中上部Z向环存在着顶盖、前风挡、机舱上部分别有2、1、9环，下部上后地板、前地板及机舱下部依次有4、6、7环。

主断面设计时轿车车身设计实践中的重要一环，其穿插在由车身油泥模型制造开始到车身结构设计结束整个过程，为当下分析车身工程可行性的重要方法和指导车身设计的重要凭据之一。为确保轿车车身主断面与结构设计工作顺利推进，常规方法是先对标杆样车进行逆向建模，建模内容以三维数模和二维主断面为主。而后把建成的三维数模与二维主断面作为凭据，测评标杆样车的各种性能，比如分析標杆样车的综合扭转刚度、弯曲刚度、车身接头处刚度、车身门洞处刚度及测算转动惯量系数等。在设计新车型时，针对刚度不够的位置要进行强化设计，但是对于刚度过剩的位置要进行削减设计，借此方式使新设计的车身具备有一个良好的刚度分布状态。

1.2基于车身结构有限元模型

当下，承载式车身在我国轿车车身设计、制造领域中有广泛应用，其在很大程度上能减轻车身重量，其最大的特殊是没有车架，地板、骨架、内外蒙皮与车顶等诸多组件焊接而言，打造出刚性框架结构。可以采用弯曲与膜属性的单元划分形式，划分白车身的网格。为提升工效及计算结果的精准性，建模时要将尺寸偏小的倒角和加强筋忽略不计，应用的单元尺寸是20mm的四边形单元，特殊区段准许存有三角形单元。因为利用有限元软件建设了焊接车身板壳件的车身模型，仿真模拟了焊点时难度相对较大，故而在建模时，应忽视焊点位置形成的应力，格外关注焊点部位产生的连接效应，利用刚性地梁单元模拟焊点，将相毗邻的两个单元的距离控制为60cm。

提取车身结构一阶固有频率和重量，利用ANSYS 软件后加强件、前地板下梁、侧围下侧内板、置物板等设计变量的灵敏度值。统计结果发现，不同板件对车辆的灵敏度表现出的一定差异。在车身轻量化优化设计时，把车身一阶扭转模态频率作为状态变量，使一阶模态频率在30Hz以下，这是车身能维持较强动态能力的重要基础。

2 汽车车身实现轻量化设计的方法

2.1 基于灵敏度的轻量化设计

灵敏度分析被国内外公认是汽车车身实现轻量化设计的一种重要方法，其能定量测算出车身设计的安全系数与余量，估算出车身结构修整时所需实现的效果，进而短缩设计时间，提升车身设计的经济性水平。在车身轻量化设计实践中，一定要确保车身的性能符合其设计标准与要求，特别是在灵敏度分析环节，建议把车身钣金厚度设定为变量，把车身扭转刚度、弯度、第一阶模态等作为设计的约束条件，把最小车身质量当做设计目标，进而开展汽车车身的轻量化设计活动。

2.2 应用新材料

既往有大量的生产实践中表明，应用轻量化材料是车身实现轻量化设计目标的主要途径之一，单一材料车身相比较，多材料车身能将各材料的性能、经济优势充分发挥出来，故而应为汽车车身各个零部件选用适宜的生产材料，进而在性能与成本管束下，取得更优良的轻量化设计成绩。当下，国内外已经有部分汽车公司试图应用多种材料生产制造车身，比如宝马全新5系与奔驰S级Coupet等轿车均是典范，当下通常是基于比较分析与测评不同材料车身性能优劣程度的方法选择适宜的材料，针对多材料结构的车身设计方法鲜有报道。

2.3 完善车身设计

汽车车身实现全面化设计且通过测评后确认其符合标准要求后，分析车身的灵敏度，可以利用轻量化迭代计算的方法进行，测评分析汽车的NVH、碰撞安全及耐久性等，进而选择更加适宜的车身材料，整体改善汽车的灵敏度，并更好的满足汽车车身对轻量化提出的要求。优化设计车身材料和结构组合，建设相应的数学模型，采用神经网络建设结构性能的全局近视模型，进而禁烧有限元的测算次数，利用多目标遗传算法完成求解，最后应用算例去检测验证这种方法的有效性。

3 结语

当下国内电动汽车设计、研发正处于初期阶段，尽管很多电动汽车被用于市场内，但其基本是在传统汽车基础上改造而成的，有自重较大、续航能力不足等缺点，这是很多人主观上不愿意选购、使用电动汽车的主要原因。应不断完善车身设计思想，利用仿真软件校核和完善车身架构和结构，加大新工艺、材料等利用力度，尽早实现车身设计的轻量化。

参考文献：

[1]李仲奎， 吴开丰， 袁亮，等. 基于NVH性能的汽车车身结构设计[J]. 汽车工程师， 2019（6）：24-28+54.

[2]段瑛涛， 王智文， 栗娜，等. 热塑性复合材料在汽车车身结构件上的应用开发[J]. 汽车工艺与材料， 2020（4）：14-18.

作者简介：刘晓洁（1984-），女，河南三门峡人，讲师，硕士，研究方向：汽车制造与装配技术

湖北工业职业技术学院 湖北 十堰 442000