汽车车身骨架设计及分析综述

王亚杰1李欢朝2

关键词：电动汽车；车身骨架；轻量化；CAE分析

引言

众所周知，我国是世界上人口最多的国家，如果中国每家每户都可以开上汽车的话，那么石油资源一定会供不应求，也会带来严重的环境问题。所以，中国一定要发展电动汽车，这符合我国的实际情况，同时也是社会发展的必然趋势。车身是汽车的重要部分之一，电动汽车的车身结构需要有足够的强度，这样才可以保证人们的安全。同时，电动汽车也需要拥有足够的刚度，以便可以正常工作，人们还要设计出合理的动态特性，以控制电动汽车的振动以及噪声。此外，如果实现车身的轻量化目标，那么电动汽车就可以拥有较强的续航能力，所以，不断优化设计电动汽车车身的结构是非常重要的。

1设计车身骨架的必要性

汽车车身是汽车的重要组成部分之一。目前国内的电动汽车一般是由传统汽车改装而成，其驱动装置以电机代替了发动机，使整车结构和布置方式与传统轿车有了很大不同，因而存在许多问题，如:改装后的操纵稳定性和平顺性有所下降，动力系统和控制系统的空间布置受限以及我们比较担心的续航问题等。因此我们有必要开发一款新的电动汽车车身来改变我国电动汽车由传统汽车改装的局面，从而大幅度提高电动汽车整车的动力性和可靠性，降低成本，实现批量化生产，满足国内外市场的需要。无论是出于电动汽车续航的考虑，或是为了电动汽车车速的提高，除了要有一个好的动力系统外，都需要减轻汽车重量。降低重量不仅能提高汽车驾驶的动力性，而且使悬架的横摆惯量减小，有利于提高汽车的操纵稳定性。因此，轻量化不仅成为传统汽车的设计追求的指标，也是目前电动汽车设计追求的指标。

2车身骨架设计原则

在对电动汽车的车身进行设计时，人们遵循以下原则：一是要考虑车身结构的动力学要求；二是要充分认识到思想碰撞的重要性，进行思想碰撞；三是要使电动汽车更加快速方便，具有较好的车速和续航能力，人们就一定要实现电动汽车轻量化的目标，只有实现轻量化，才可以不断减少成本；四是要遵循总布置尺寸的要求，遵循平台的系列设计要求；五是要满足车身的相关制造要求，方便维护和拆装。

3车身骨架的轻量化

关于汽车轻量化的定义，不能仅以减轻质量多少来衡量，同时需要考虑设计车身的尺寸以及功能．主要可以从以下3个方面进行论述：①满足使用功能的汽车通过减轻质量实现轻量化设计；②功能不能完全满足使用要求的汽车通过完善功能实现汽车轻量化设计，比如改进动力学性能、ＮＶＨ（Ｎｏｉｓｅ、Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ、Ｈａｒｓｈｎｅｓｓ）性能等；③提高和改进性能的同时也使汽车减轻质量从而实现汽车轻量化．除去减轻质量外，汽车的轻量化设计还包含优化结构和价格合理化．现阶段实现汽车轻量化的技术主要有3类：①结构优化，将ＣＡＤ、ＣＡＥ、ＣＡＭ技术结合使用；②使用轻量化材料，目前使用较多的是铝、镁、钛合金、高强度钢、塑料及复合材料等；③先进的制造工艺，主要有激光拼焊、液压成形、热成形等。

3.1汽车的轻量化材料

不同材料的使用对汽车自重的影响很大，合理选材至关重要．在选择汽车材料时通常需要考虑以下3点：①保证汽车的各种使用性能，如动力性、ＮＶＨ性能、安全性、舒适性、操作稳定性等；②能够充分发挥加工工艺的性能，如成形性、焊接性等；③使用寿命长、低成本、可回收等．合理选择材料是推动汽车技术进步的关键，轻量化材料的使用既能保证汽车的使用性能又可以降低汽车自重。通过优化材料而实现汽车轻量化的思想在实施时可以归纳为2点：①选用低密度材料代替钢铁材料，例如采用低密度的铝合金、镁合金、塑料和复合材料等；②使用高强度材料，比如高强度钢，然后降低钢板厚度实现减轻质量。

3.2集成化设计

塑料前端模块集成设计；铸造铝合金零部件集成设计；车身骨架集成设计。随着制造工艺的创新，铸造铝的精度越来越高，由集成式铝骨架结构替代焊接式钢车身结构，可以大大的降低车身重量。

3.3使用先进的制造工艺

如激光拼焊、液压成型、辊压成型等。与传统焊接方法相比，激光焊接具有速度快、效率高、焊缝深宽比大、热输入小、热影响区小、焊接变形小等优点;液压成型技术具有成型精度高、可节约材料、减少成型件数量和后续机械加工与焊接量、提高成型件的强度与刚度、减少模具数量、降低生产成本等优点。未来研究方向主要是在结构的基础上，将工艺与材料相结合，不仅要做到轻量化来提高电动车的续航能力，而且要做到始终把安全性放在第一位。

4对车身骨架的CAE分析

4.1车身骨架结构的静态分析

包括车身骨架结构的强度和刚度。汽车的结构强度是保证汽车安全性、可靠性的重要指标。汽车车身骨架的强度大小将直接影响汽车的有效使用寿命，骨架的局部应力集中将导致车身的局部开裂甚至断裂。因此对于起主要承载作用的车身骨架，具有足够的车身强度是必要的。车身结构的刚度是指车身结构反映出的载荷与变形之间关系的特性。车身结构刚度是车身性能评价的一个非常重要的指标，刚度不足，会引起车身的门框、窗框等开口处的变形大，以至车门卡死、玻璃破碎、密封不严导致漏雨、渗水及内饰脱落等问题，还会造成车身振动频率低、发生结构共振。由于通常满足刚度要求的车身结构其强度指标基本上也能满足要求，所以一般对于车身骨架结构的刚度重点分析。目前，提出一种双层结构优化模型来确定每一根薄壁梁的最佳横截面积，最终实现拥有高刚度的汽车车身骨架的轻量化。

4.2车身骨架结构的模态分析

人们使用模态分析车身骨架结构，主要是为了确定具体设计过程中结构的振动特性。它是承受动态载荷结构设计中的重要参数。所以，一是人们要避免结构共振或按照特定的频率振动；二是人们要认识到不同结构对于不同类型的动力荷载会有不同的响应；三是在其他动力学分析中，人们可以估算然后求解，从而控制参数。

结语

综上所述，电动汽车的推广应用是社会发展的必然趋势，无论从环境角度还是能源角度，发展电动汽车都是十分必要的。人们要不断研发电动汽车，不再依赖于改装传统汽车，要从这个被动局面中走出来，设计出真正安全可靠的电动汽车。同时，要保证电动汽车动力十足，拥有较强的续航能力，这样可以使我国汽车工业发展越来越好。人们要不断优化电动汽车车身的结构，增强其强度和刚度，从而更好地满足大众的要求，提高我国汽车发展速度，为我国汽车工业作出贡献。

参考文献

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