某汽車駕駛室骨架結構分析與輕量化設計*

李 莎

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某汽車駕駛室骨架結構分析與輕量化設計*

李 莎

（上海電機學院，上海 201306）

駕駛室骨架主要起承載和保護人員安全的作用，文章通過有限元方法對其進行了結構強度評估和結構優化設計分析。結果顯示：原始結構設計存在局部應力集中和材料浪費現象；通過鋁合金代替部分鋼材，對骨架結構拓撲優化，得到更為合理的骨架結構。新骨架仿真結果顯示，原先設計存在的應力集中問題得到了明顯改善，應力分布更加均勻，在保證骨架剛度與強度的前提下，節省材料約15%，實現骨架的輕量化設計。

骨架；輕量化；拓撲優化；鋁型材

引言

隨著國家油耗法規日益嚴苛，節能減排已經成為現代汽車主要研究和發展方向。相關資料顯示，如果將汽車的重量減輕15%～20%，那么每公里的油耗將減少0.5～1升[1,10]。因此，在發動機效率無法明顯提升的情況下，汽車輕量化已經成為各大整車廠降低油耗的重要手段。目前實現汽車輕量化的途徑有三條：

結構輕量化，即采用先進的優化設計方法和技術手段，在滿足車身強度、剛度、模態、碰撞安全性等諸多方面性能要求的前提下，通過優化車身結構參數，提高材料利用率，實現輕量化。

材料輕量化[8,9]，即鋁、鎂、鈦合金材料是所有現用金屬材料中密度較低的輕金屬材料，因而成為汽車減輕自重，提高節能性和環保性的首選材料。

制造輕量化，即以車輛輕量化設計為基礎，綜合考慮所采用輕量化材料的特性和產品控制成本要求前提下采用的制造技術。目前使用最廣泛的有激光焊接技術，液壓成形技術，高強度鋼熱成形技術，高強度鋼棍壓成形技術，電磁成形等先進技術以及連接技術，表面處理技術，切削技術。

本文采用結構輕量化與材料輕量化兩種方法相結合，首先用有限元法分析原駕駛室的力學特性，針對設計不合理的部位進行優化，然后采用鋁合金異型材替代部分鋼材，在滿足強度剛度的條件下，實現車輛輕量化。

1 原骨架模型與靜力分析

骨架是整個車身的主要承載部件，本文運用有限元方法分析了駕駛室骨架的力學特性，根據計算結果改進了原始設計，在沒有減弱結構強度的前提下，實現汽車輕量化的目的，具體研究思路如圖1所示：

圖1 研究方法

1.1 建立骨架模型

汽車骨架一般由槽鋼、方形鋼、角鋼和π型鋼焊接在一起[2]，對骨架建立模型如圖2。各梁的編號與尺寸，分別如圖3及表1、圖4及表2、圖5及表3。

圖2 骨架設計圖

圖3 前骨架編號

表1 梁編號及尺寸

表2 梁編號及尺寸

表3 梁編號及尺寸

1.2 建立骨架有限元模型

結合汽車骨架的實際情況，選用空間梁單元和空間薄壁梁單元，即Beam188，得到骨架有限元模型如圖6所示[3]。

圖6 骨架有限元模型

針對汽車骨架的承載狀況，本文選用靜載荷乘以動載荷系數4（因為可靠性要求高），把動態載荷轉化為靜態載荷來計算，如下表4所示。

表4 載荷類型及大小

1.3 有限元分析結果