李 莎

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某汽車駕駛室骨架結(jié)構(gòu)分析與輕量化設(shè)計(jì)*

李 莎

（上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306）

駕駛室骨架主要起承載和保護(hù)人員安全的作用，文章通過有限元方法對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。結(jié)果顯示：原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在局部應(yīng)力集中和材料浪費(fèi)現(xiàn)象；通過鋁合金代替部分鋼材，對(duì)骨架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，得到更為合理的骨架結(jié)構(gòu)。新骨架仿真結(jié)果顯示，原先設(shè)計(jì)存在的應(yīng)力集中問題得到了明顯改善，應(yīng)力分布更加均勻，在保證骨架剛度與強(qiáng)度的前提下，節(jié)省材料約15%，實(shí)現(xiàn)骨架的輕量化設(shè)計(jì)。

骨架；輕量化；拓?fù)鋬?yōu)化；鋁型材

引言

隨著國(guó)家油耗法規(guī)日益嚴(yán)苛，節(jié)能減排已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車主要研究和發(fā)展方向。相關(guān)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(fā)動(dòng)機(jī)效率無法明顯提升的情況下，汽車輕量化已經(jīng)成為各大整車廠降低油耗的重要手段。目前實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的途徑有三條：

結(jié)構(gòu)輕量化，即采用先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段，在滿足車身強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、碰撞安全性等諸多方面性能要求的前提下，通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高材料利用率，實(shí)現(xiàn)輕量化。

材料輕量化[8,9]，即鋁、鎂、鈦合金材料是所有現(xiàn)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(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。

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

本文采用結(jié)構(gòu)輕量化與材料輕量化兩種方法相結(jié)合，首先用有限元法分析原駕駛室的力學(xué)特性，針對(duì)設(shè)計(jì)不合理的部位進(jìn)行優(yōu)化，然后采用鋁合金異型材替代部分鋼材，在滿足強(qiáng)度剛度的條件下，實(shí)現(xiàn)車輛輕量化。

1 原骨架模型與靜力分析

骨架是整個(gè)車身的主要承載部件，本文運(yùn)用有限元方法分析了駕駛室骨架的力學(xué)特性，根據(jù)計(jì)算結(jié)果改進(jìn)了原始設(shè)計(jì)，在沒有減弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，實(shí)現(xiàn)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(duì)骨架建立模型如圖2。各梁的編號(hào)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(shè)計(jì)圖

圖3 前骨架編號(hào)

表1 梁編號(hào)及尺寸

表2 梁編號(hào)及尺寸

表3 梁編號(hào)及尺寸

1.2 建立骨架有限元模型

結(jié)合汽車骨架的實(shí)際情況，選用空間梁?jiǎn)卧涂臻g薄壁梁?jiǎn)卧?，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(duì)汽車骨架的承載狀況，本文選用靜載荷乘以動(dòng)載荷系數(shù)4（因?yàn)榭煽啃砸蟾撸?，把?dòng)態(tài)載荷轉(zhuǎn)化為靜態(tài)載荷來計(jì)算，如下表4所示。

表4 載荷類型及大小

1.3 有限元分析結(jié)果