汽车车身零部件强度性能分析与优化研究

宋涵艺

摘 要：随着社会的进步与经济发展，汽车已然成为了人们日常生活必需品，其使用率日益增加。本文聚焦于汽车车身零部件强度性能的研究，并通过各种软件创建模型来对其进行仿真模拟。同时，还运用新型技术手段对这一结构展开剖析，其中最关键的技术在于对车辆强度的评估。通过研究得出结论：汽车零部件設计完全满足实际需求，且它与引擎之间的关系密切相关，对此类问题的解决方案已经有了明确的方向。

关键词：汽车零部件 强度性能 优化路径

伴随着生活品质的提升，人们的消费需求已不再局限于基本的生活必需品（如衣、食、住、行），而是更注重商品的质量与体验感。尤其是在交通工具领域，消费者不仅关注车辆的外观设计及品牌形象，还对其驾驶感受和行车安全有较高的期望。在此背景下，汽车的舒适性和安全性成为了决定其市场表现的关键因素之一。尤其是汽车车身关键部件，其应用广泛且工作频次较高，因此需要具备良好的机械性能和运动特质。当前数据研究表明，许多学者已经开始从不同角度探讨，如何通过调整车身设计以满足上述需求，进一步加深了公众对汽车功能及其重要性的认识。

1 汽车车身强度分析目的

车辆的主体承担了所有与汽车相关的重量（如停止启动、刹车、转向、爬坡）及其加速情况，同时车身每个部分都承受不同类型的力和压力。为确保在正常驾驶过程中的安全性和可靠性，需要保障这些部位具有足够的力量，防止任何可能导致损坏或性能下降的情况出现。因此，在设计初期，就需评估并确认每一个组成部分在各种环境下所受到的力的程度，以确定其是否超过了该组件自身的耐受能力。如果小于这个数值，就意味着这一区域的车身强度不够，需要进一步强化；反之，如果大于这一数值，则说明这里的车身强度是达标的。

2 汽车零部件强度研究路线

2.1 零部件载荷确定

零部件强度分析首先要明确载荷，载荷偏差就会导致分析成果存在一定差异，以此载荷是否准确是分析其正确性的主要因素。仿真和试验载荷大多是由载荷测量、载荷分析等过程确认，载荷测量需要满足零部件的全部工况，载荷值需要反馈零部件正常工作时的载荷值。载荷一般包括静载荷与动载荷两大类。汽车是一个运动型产品，主要承受力会随着时间变化产生不同动载荷，但由于在长期使用阶段，车辆会产生各种形式的损伤，在载荷作用下可能发生静强度失效。所以，零部件静强度校核是基础。另外，一些零部件处在动载荷长期作用下，会发生疲劳强度失效，则需要基于动载荷或载荷谱进行疲劳强度校核。不同的强度设计，应采用不同的计算载荷。

2.2 零部件强度分析方法

汽车产品研制过程中需要进行大量的零部件分析与试验，包括有限元强度疲劳分析、台架试验、整车道路试验等。研发初期，有限元分析方法可以帮助工程师对零部件结构强度进行初步评价，提出合理的优化措施。进行有限元疲劳仿真可以减少部分疲劳试验，节省成本。因此，对于汽车零部件的分析与试验需要有行之有效的研究路线，运用各种强度仿真与试验方法，按标准进行零部件分析优化。汽车零部件强度分析可以分为零部件级和系统级（总成）分析方法。将零部件从子系统剥离进行单个零部件结构强度性能的分析方法称为零部件级分析；将子系统整体作为研究对象，考虑到子系统中连接关系，及其组成零部件之间的相互运动影响的分析方法称为系统级分析方法。零部件分析方法较系统级来说更简单易行，流程更加规范化，分析结果更能反映零部件单独受载情况下的强度性能。因为系统分析法能够涵盖所有相连的部件，它们构成一个整体并存在非线性的联接关系和运动关系，所以能更精确地模拟部件的工作状态。

3 车身零部件强度性能分析试验设计

3.1 探究对象

车身零部件包含细致多变的构造，并且需要与之对应的各项分析技术和系统完成检测，才可获得车身零部件的强度性能，综合影响零部件强度的各项因素，科学合理的设定多元研究方案，也可设置不同参数零部件数据完成模拟练习。在此探究过程中，可以将车门作为研究对象，寻求使用这一零部件分析的模式和探究方案，旨在了解这一车门在应用过程中强度、刚度下沉的主要因素，综合实际情况设定测试方案。基于当前车辆生产环节的各项工艺，大多选用铰链固定的形式完成测试，部分车辆测试会选用滑移式方案。内外板主要构件也是车门的基础构成，可以满足人们最基础的开关门需求。装配在车门上的门锁、铰链、限位器等零部件，是为了确保车门良好的封闭性。车门受力源自于人们开关阶段，大多也会受铰链等因素的影响。车门开力较大，受力就会受限位器影响。车门是汽车的关键构成部分，需要确保其可以承受来自外部的冲击，面对各种冲击不会发生较大形变。因此，在测试环节，需要重视对车门的轻度测试。

3.2 车门有限元模型构建

以车辆的左前门为例，综合有限元分析等形式，主动探究这一零部件使用强度。主要包含车门的外壳、内壳，在车门外壳上加入加强板，在车门内壳、铰链、防撞梁等位置安装加固板，并对此类关键位置进行拆解。针对当前手工艺方案，选用的零件材料都是非时效性极深冲用钢、低合金高强度结构钢、铝青铜等等。这一模型应用实践指的是在构建过程中，可以运用网格区分不同区域，并以此进行零件清洗，选用十毫米规格的四边形完成部位清洗，便于处理细小位置的脏东西，也可建设CATTA模型。因为车门位置零部件构造十分复杂，各部位受力数值有所差异，在构建模型过程中要设置合适的数值完成模拟关系。此模型设定要结合acm单位确定焊点，也可运用刚性单元完成螺丝衔接。

3.3 汽车车门过开强度分析

车门是独立存在的，其所需性能强度对于车辆使用安全而言，有着十分深远的影响。车门所使用的强度不足，随着时间的推移，会导致其内部系统产生部分老化或是受损害的情况，导致这一车辆使用性能不佳，或是无法顺利关闭车门。因此，在这一设计环节，需要借助分析方式，探究其使用性能是否满足设计的整体需求，并且为后续优化方案，提供一定参考。以下是关于选择的汽车型号的研究中的例子：将使用CAE建模来仿真车辆行驶的过程，并对相关部件（例如车门和连接件）及其限制装置系统的抗力性进行了数值计算与评估。为了保证结论精确无误，需要添加部分零件到构建好的车辆力学结构上，最后形成的一个完整且详细的设计方案。

需要设定限制条件来构建有限元模型。考虑到车辆的车门重量和其在锁定点的压力分布情况，将车门向打开方向推到最大的开放度。然后，通过模型的处理阶段，可以获得车门在超出正常范围时所产生的移动范围。从四个选定的测量点获取相应的运动信息，结合这些数据，可以精确地确定车门超过正常工作区域的角度，從而有效评价车门的工作性能。在车门处于过度开启状态时，不仅会引发车门受力变形，还可能使得限位器和铰链部位产生较大的压力。如果这个压力值超出了规定范围，就会导致车门长期变形，从而无法正常打开。因此，针对这一模型的分析，需要考虑汽车零部件的受力数值，结合相应的云图，判定这一应力值和零部件材料使用应力之间存在的差异性。车门限位器主要做到的是限制其开关角度和速度，也是承受外部压力的重要承载部分，需要重点关注其强度性能。当车门达到最大开启角度时，限位拉杆将处于最大行程。通过应力云图分析，可以得出在最大应力位置的应力值与零部件材料的许用应力之间存在偏差。另外，在分析的过程中，也可进行云图进行，明确这一位置的载荷，分析其位移值能否满足各项设计要求。铰链在工作的过程中不仅要包含承受外部的力量，同时也要和限位器同时进行工作，需要限制这一车门开关合度，在工作测试过程中，了解其最大应力位置和应力值以及数据偏差。

本次实践探究的零部件最大应力值和位移值都能满足车门开合过大的需求。值得注意的是测试方法，验证车门开关强度能否满足车辆运营的需求。这一验证方案要选用合理的测试工艺完成最终组装，并将测试模型放置在开阔空间内，然后借助方向装置和位移传感器，设定测试状态下的各项参数，并结合测试模型完成分析。如果车门开合较大就会无法完成精准检测，也可选用多位点完成各项数值换算，并且最终获取车门过开范围。测点位置也要设定区间，并且在设定范围内划分加载点，在实验过程中将车门开放至最大角度，用于测量车门位置和系统之间的衔接性，确保各项数据初始数值为0。然后选用缓慢升级的形式，分别测定不同压力下的数值，在完成零件卸载。重复上述操作三次，将获取的各项数据汇总，并计算其平均值为最终结果，利用测定点位移计算出过开角度。有关数据表明，这一测试值和有限元模型分析误差在百分之五以内，由此证明仿真实验结果的精准性，车门强度性能分析中可以实践应用。通过实践研究表明车门过开可以满足车身设计需求，也展示出铰链基础限位和限位器衔接之间存在滞后性。当处于统一情况下，位移变化缓慢问题也会暴露，需要在车身设计环节优化完善。

3.4 车门下沉刚度有限元分析

实际生活中多存在车门受损或是产生垂向力的情况，不仅不利于零部件使用，也影响其存在的美观性，进而导致车门无法顺利关闭，在完善车身设计时，需要综合下沉刚度分析，寻求影响车门性能的主要因素，并为后续车门设计提供优化方案。车门零部件下沉刚度和检测流程与汽车强度分析流程类似，在优化设计过程中可以选用同样的分析模式，寻求其中数据变化的关键因素，并且选用合适时机完成各项优化流程，进一步增强车身零部件使用性能和强度，满足人民群众的实际需求，增强汽车生产质量。

3.5 车身零部件的优化形式

3.5.1 材料方面的优化

材料本身属性也是影响零部件加工的关键因素，材料类别不同也使其性能有多差异。因此，选取材料时，首要关注其各项数据，并合理选材，综合当前时代发展背景，铝合金材料使用范畴较广，也可将其设定为材料首选。比如，针对齿轮材料的选取，需要确保其使用阶段存在弯折强度，且有一定的韧劲，便于满足生产工艺的需求。其次，关于零部件材料检测和质量管控，需要选用集中性管理模式，溯源其使用机制，并就其存在的问题，最好记录并分析，找出问题批次，便于后续材料管理。

3.5.2 针对零部件构造优化

零件不同位置优化整合旨在其强度和性能层面的整合，借助个性处理手段，加强车身材料的性能参数。重要包含三种优化模式：第一，加强车身位置零部件使用的厚度，结合其使用材料的属性，满足不同测试和使用需求，也可增强其使用寿命。第二，关注构造优化，将原有的平面式构造转化为U型模式。也可在车身零部件中增加R角，生产加工环节，需要集中物体受应力，方可更好的提升车身使用性能，完备其基础构造。第三，在合适的位置加入零部件，旨在了解其受力范围，有效提升使用性能和强度。综上所述，集中处理模式都是轻量式以及科学设计融合的，在测试过程中选用相互交叉的测试形式，寻求最佳的测试方案，以此满足各项测试实际需求。

3.5.3 优化各项加工工艺

针对车身零部件加工工艺，需要明确各项基础零部件的使用性能，明确其使用强度，科学合理的选用生产加工工艺，尤其是新能源技术领域的延伸拓展，也会对这一生产使用成本产生十分深刻的影响。综合社会发展需求，尤其是新能源领域的变化背景，多种新型手工艺建设使用，可以选用新型铸造工艺、焊接技术等手段，提升车身零部件生产水准，在增强车身性能和强度的同时，尽可能的减少生产使用成本，增强汽车在产品市场的竞争力。

4 结语

对车辆配件的强度测试与评估是一个繁琐的过程，需要全面考虑到多种影响元素，包括负载的多样化、零件强度的波动性和外部及内在因素对这些变量产生的影响。鉴于我国刚起步的自有车型研发阶段，仍需大量的基础研究任务完成，例如构建材料疲劳数据库、推导出强度标准、累积实践经验等。随着计算机CAE技术的进步，现如今的疲劳耐用度分析变得愈发便捷高效，然而实际操作中，实验台架依然是最主要的强度评定工具。本篇简述了我在这一领域开展的部分工作，希望能够引发思考并有所启示。

参考文献：

[1]蔚旭东.公交车铝车身关键零部件优化与整车疲劳耐久性研究[J].2023-09-12.

[2]陈刚强.基于侧碰安全性的高强度钢车身拼焊板零件设计方法研究[D].湖南大学，2023-09-12.

[3]程威.车身超高强钢热成形件冲压工艺及模具结构可靠性优化设计研究[D].湖南大学，2019.

[4]刘倩郑小平张荣华田亚强陈连生.新型汽车用高强度中锰钢研究现状及发展趋势[J].材料导报，2019，033（007）：1215-1220.