關于汽車車身結構的布設與安全性分析

宛仕超 馮曉軍 楊龍 萬志偉 游小勇

摘 要：隨著我國汽車保有量的快速增長，以及公路交通建設尤其是高速公路建設的快速發展，車輛的運行速度不斷加快且事故發生率也在不斷提高，這些都對車身結構及其安全性提出了許多新的要求。本文對車身結構布設給汽車的性能及安全性造成的影響進行了分析，并在此基礎上對車身結構布設的安全性優化措施進行了探討。

關鍵詞：汽車;車身結構;結構設計布設;安全性

1 引言

汽車已經成為了現代人們生活出行的一種重要工具，給人們的生活和工作帶來了極大便利。這一方面說明我國的經濟社會發展取得了顯著成就，但同時也對汽車的性能和使用安全性提出了更高的要求。汽車的車身結構布設對汽車的使用性能和外表美觀影響重大，但最為重要的是會影響到車身結構的安全性，必須引起充分的重視。

近年來，隨著我國汽車保有量的快速增長，以及公路交通建設尤其是高速公路建設的快速發展，車輛的運行速度不斷加快且事故發生率也在不斷提高，這些都對車身結構及其安全性提出了許多新的要求。本文正是基于這一現實出發點，對車身結構布設給汽車的性能及安全性造成的影響進行了分析，并在此基礎上對車身結構布設的安全性優化措施進行了探討，希望對推動相關工作的發展能夠有所借鑒。

2 車身結構布設對汽車性能的影響

如果將汽車比作人體，那么發動機相當于心臟，而車身結構則相當于骨骼，車身結構布設地是否合理，會對汽車的安全性、經濟性、環保性、動力性以及舒適性等造成直接影響，以下將進行具體分析安全性方面?，F代汽車使用者對汽車的使用安全性愈發重視，而汽車的車身結構、車身材質以及發動機都是影響汽車使用安全性的直接因素。

3 車身結構安全性影響因素分析

上文已經提到，當前社會人們對汽車的使用要求更加強調對安全性的重視，而車身結構又是關乎安全性的直接影響因素，因此對車身結構布設的安全性進行研究具有重大現實意義。

3.1 車身承載力

車身的承載力主要指車身骨架結構對載物的承受能力?，F實中經常遇到的超載翻車事故就是載重超過了承載力引發的。考慮到汽車不同的工況會使得承載力出現不同變化，比如正常行駛狀態、轉彎狀態、制動狀態和緊急制動狀態下的車身承載力均不相同，所以承載力的研究除了需要考慮汽車重量外，還必須考慮汽車使用時的不同工況因素。

3.2 汽車骨架結構

對于承載式車身，車身骨架結構的設計布設會影響到強度和剛度，而這也是安全性研究中最重要的兩個指標。承載式汽車如轎車、客車等，其車身主要包括前端、中部和后端三個部分。前段由前圍板、前圍內側板、縱梁和兩側擋泥板組合形成了一個具有較強剛度的車身輪廓;車身中部由側圍、前后圍板、頂蓋、窗框等組成，形成盒狀車身主體;后端則主要由底板和輪內輪外組成。承載式車身依靠發動機和底盤組成的汽車基體承受車身結構的負荷，這與非承載式車身依靠底盤大梁架來強化車身承載力有很大區別。因此，針對非承載式車身的骨架承載力進行研究具有十分重要的現實意義。

4 車身結構布設的安全性優化建議

4.1 汽車碰撞安全性分析

現實中，車身結構布設要充分重視安全性，而考慮到汽車發生事故主要是因為正碰引發的，所以在進行車身結構布設時需遵守安全性設計原則，具體需要滿足以下幾個條件：盡量降低乘客受到的沖擊;轉向柱后移量和前圍板侵入量較小，最大限度保證車上人員的生存空間。此外，在汽車碰撞安全性分析中，車上結構安全部件材料的匹配優化設計也非常重要。可以通過敏感度分析確定對汽車碰撞安全性影響較大的關鍵部件，然后再通過近似模型優選和多目標優化選擇方法對結構部件的布設及其厚度和材料性質進行科學確定。這里需要特別強調地一點是，車身結構布設時要注重部件間的連接過渡，實現材料、厚度的連續變量、離散變量的混合優化。

4.2 科學選擇汽車關鍵安全部件

在車身結構設計與布設時，科學選擇關鍵安全部件也是提升安全性的重要舉措。首先，應該建立車輛碰撞仿真模型，推薦采用“美國國家碰撞分析中心”的“FordTaurus整車模型”。我國針對該模型專門進行了仿真數據和實際實驗數據的對比，發現兩個結果的一致性較高，即說明采用該模型進行仿真計算具有較高可信度。此外，也可以對車身結構布設進行數字建模，并利用CAE技術對其碰撞安全性進行模擬仿真。然后，在仿真模型建立的基礎上，對碰撞中的車身結構傳力路徑進行分析。第三，對所布設車身結構的吸能作用進行分析，即分析傳力路徑上布設部件的能力傳遞，確定主要吸能部件，這也是保障汽車碰撞安全性的關鍵部件所在。

4.3 敏感度分析

在汽車車身結構布設及其材料配置優化方面，可以采用正交試驗的方法進行分析，并據此得到關鍵安全部件的敏感度情況，為多項影響因素間的優先級關系判定提供明確依據。考慮到一般車身結構的材料都為高強度鋼，而這種材料的成本一般都較高，所以必須確保此類結構布設被改善或其材料被替換后，能夠促進安全性得到優化改善，這樣才能真正降低車身結構設計開發中的花費成本。因此，可以針對車身結構布設及其材料的敏感度進行分析，并依據分析結果對布設結構及其材料變化具有較強敏感性的部件進行確定。在此基礎上，可以利用各種優化措施和算法對結構布設及其材料變化進行優化處理。事實上，通過敏感度分析可以發現，汽車車身結構的布設尤其是材料配置必須保持一個度，單純增加材料強度不一定能夠強化安全性，甚至有可能使布設結構的材料變量越來越差，這種安全性強化方法并不可靠。

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