轿车车身结构力学特征及轻量化设计

申华

摘要：得益于我国改革开放以及大量发展经济等惠民政策的出台，我国人民的生活也随之得到了质的飞跃，因此人们已从解决温饱的问题转到了生活享受方面，其中汽车便成为了人们最常见的代步工具之一，其给人们普遍的感受就是出行方便以及行驶速度快等特点。然而如今的轿车车身结构力学特征以及结构量化设计等方面还存在着诸多不足，这些不足在一定的程度上阻碍了整个汽车行业的发展，所以亟待人们更加深入地对其进行剖析和解决。因此本文将对以往的轿车量化设计的发展历史以及当今的发展状况进行简要的阐述，然后进一步结合轿车车身结构力学的特征，进而有针对性的提出能够有效的实现轿车整体轻量化的设计措施，以期能够为我国轿车行业的健康良好的发展提供参考意见。

关键词：轿车；车身结构；力学特征；轻量化；设计

轻量化设计已成为国内外汽车行业的重要研究课题。自汽车诞生以来，它与社会成员的个人生活息息相关。通过汽车的应用，不仅社会各个成员的移动速度得到了显着提高，并且不同地区之间人员的各种信息和文化内容的交流也得到了显着改善。随着生活质量的不断优化，社会成员对轻量化要求的水平也在不断提高。如何结合车身结构的力学特性，实现汽车的轻量化，已成为社会交通研究领域的主流研究方向。

1 轿车轻量化的发展历史和发展现状

对汽车轻量化的研究始于上世纪八十年代中期。在社会工业化经济发展模式日益成熟的前提下，一些西方发达资本主义国家开始认识到汽车车身轻量化设计的重要性。在中国，为了与国际汽车工业的发展步伐保持一致，我们将努力提升国有汽车生产技术的国际影响力和发展地位。20世纪90年代末，我们大力开发汽车车身轻量化设计解决方案。在生产和制造过程中，不断选择性能优良的原材料建设，轻量化汽车的发展趋势日益突出。在技术研究人员的长期不懈努力下，冲压工艺，激光结构焊接和钣金涂装等现代设计和制造方法逐步投入生产，应用于汽车的轻量化设计和生产过程。

因为人们在前期的开发生产中不注重对能源以及环境的保护，所以导致了世界性的能源紧缺问题，因此为了能够确保轿车行业的可持续性发展，人们就必须解决轿车能耗过大的棘手问题。在总结了以往的发展经验后，相关设计工作者提出了轿车轻量化设计的方案，其不仅仅降低了轿车的制造成本，同时还提升了燃油效率，这也是其逐渐成为了轿车制造企业的主流设计的原因。作为车辆结构的重要部分，车身结构的重量减轻在整体车辆的重量中起重要作用。它通过轻量化设计，具有更加强大的可靠性和绝对安全性。

2 轿车车身结构的轻量化设计

2.1 车身设计应用高强度钢板

在结合车体结构力学基本特点的基础上，在设计和制造车体时，尽可能使用高强度钢化建筑材料，并在实际使用过程中选择合理的车辆的能耗。由此一来，其可以直接减少高强度钢的使用，从而达到汽车的总重量最小化的目的。在中国汽车工业的生产和经营过程中，回火原料仍然是汽车车身制造的最佳选择之一。与传统汽车生产过程中使用的原材料相比，回程车体的建筑材料具有一定的应用优势。首先，与传统汽车建材相比，回火原料市场价格相对较低，使用寿命长，可以在一定程度上降低汽车企业经济支出的压力。在此基础上，现代钢板的使用不需要改变汽车生产线的原始操作程序，使公司对生产设备的经济投资效益最大化，其也为汽车行业提高业务效率提供了先决条件。

2.2 建立超轻钢化车身的几何模型

通过应用计算机CAD绘图软件的现代技术应用，汽车工业的技术生产和开发人员也可以在虚拟三维空间中建立超轻钢化体的几何模型。在今天的汽车整体结构中，包括汽车侧面，地板，车棚，挡风玻璃和行李箱，各种尺寸的零件数量超过50个。技术人员还可以设计和生成曲面，通过应用表面影响设计模板在虚拟环境中创建钢化材料主体 在创建超轻钢化体的三维虚拟模型的过程中绘图软件。通过仿真操作，研究了超轻钢化体结构设计和施工的可行性。借助现代信息技术，轻量化车身设计的可行性将得到充分和显着的改善。

2.3 建立超轻钢车身的有限元模型

通过构建汽车轻量化超轻钢体的有限元模型，技术人员可以从静态和动态两个方面准确，全面地分析汽车车身结构的应力状态。在目前我国汽车轻量化设计和生产工作的研究过程中，有限元轻量化汽车模型的建立可分为三种不同的类型。第一是分析静态应力下车体的静电和导电力。二是分析轻量化汽车生产的静态应力模式和车身整体稳定性。最后，分析了车身在瞬时运行状态下的动态力和轻量化车身设计的使用寿命，是该分析模式的主要研究内容。

3 车身结构优化设计以及设计要求

3.1车身结构优化设计

优化设计作为一门综合性较高且新型的学科，其主要便是能够更有效的使用有限元的分析方法进行设计，尤其是在车身结构优化设计方面，其能够很好的利用主动改善设计来取代以往的被动校验设计，从而大大地提高了设计的准确性以及效率性，同时降低了产品的设计周期，从而提高了产品的质量。标准方法提出了优化设计要满足的一些标准，并且迭代方法用于找到满足这些标准的解决方案优化准则。该方法最突出的特点是迭代次数少，设计变量的增加对其影响不大，计算效率很高，也有利于编程。然而，它经常在建立迭代公式的过程中引入一些假设。这些假设通常与研究问题的特征有关，因此其多功能性也是有限的。

3.2现代汽车车身结构特点以及设计要求

（1）轻量化是车身设计的核心元素。随着现代科学技术的快速发展，越来越多的汽车行业运用新型的技能对车辆进行创新改造，以此提升其性能，满足不同层次使用者的需求，而轻量化作为新型的设计元素，能够将其充分运用起来必将能实现汽车设计和构建的更大效益。

（2）车身结构设计要以安全舒适性为基本原则。经当下的市场调研发现，车身的承重能力是当下车身结构设计值得重点考虑的要素之一。将其理念融入到车身设计中更能体现人文主义，同时关注驾驶员的切身感受，满足其基本需求。

（3）精简车身设计流程，缩短设计周期。如何在保证质量的基础上，实现汽车的快速设计是当下众多汽车行业管理者值得思考的问题之一。而随着现代信息技术的不断发展，越来越多的现代汽车车身结构设计追求精简化，以此提升制造商的汽车开发制造效率。同时也使自身的市场竞争力得到了加强。

（4）实现设计和分析的有机统一。现代汽车车身机构设计更要求一次性地精确化，因而就需要在车身设计过程中加入全方面的分析，以此避免后期出现大幅度的改动，从而增加人力物力的投入，影响汽车行业的经济利益。

4 结语

总而言之，随着生活质量和社会生活水平的显著提高，人们对汽车内外部的设计要求也在不断提高。因而，相关的汽车设计和制造商就需要结合车身本身的结构力学，并运用现代先进的轻量化设计来提高整体的设计水平。但由于车身结构设计并非是一项简单的工作，其更多需要结合多方面的专业知识，例如有限元建模和數据分析，并且还涵盖了材料科学、结构力学等跨领域学科，因而，唯有不断地进行探索和优化，才能实现技术上的飞跃。

参考文献

[1]杨千里，刘福格，丁玉梅. 试论轿车车身结构的力学特征及轻量化设计[J]. 科技经济导刊，2017（11）：153-156.

[2]潘锋. 组合近似模型方法研究及其在轿车车身轻量化设计的应用[D].上海交通大学，2017（11）：113-116.

[3]李纪雄. 基于热成形高强钢板的车身结构轻量化分析与优化[D].华南理工大学，2016（12）：106-108.

（作者单位：长城汽车哈弗技术中心）