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基于基本性能的车身结构设计

2020-10-26 10:49:50·  来源：汽车NVH充电宝  
　
我们已经走得太远，以至于忘记了为什么而出发。最近跟我项目开发的车身团队成员聊天，在赶项目进度的重要节点，谈到了他们科室缺人的现状，他们处于因薪资水平没
“我们已经走得太远，以至于忘记了为什么而出发。
 
最近跟我项目开发的车身团队成员聊天，在赶项目进度的重要节点，谈到了他们科室缺人的现状，他们处于因薪资水平没有竞争力招不进人，因未来看不到前景留不住人的两难境地；确实作为传统专业，面对汽车未来电动化、智能化和网联化的冲击，很多有想法的工程师都趋之若鹜的转向新兴的方向。
 
随着造车互联网造车新势力队伍的逐步壮大，在资本的带动下，拉高了人工智能、大数据和互联网的专业方向人员需求和工程师的薪资溢价能力，毕竟视金钱为粪土、有信仰的钻研技术的工程师还是少数，拿钱多难道不香吗？
 
但造车不是一件简单的事，没有捷径可走。对汽车来说，车身、底盘是基础，软件、智能化服务将成为产业发展的主要内容。不过，这并不代表基础不重要，相反，基础变得更为重要，如果一辆汽车连最基本的驾驶性能、安全性、舒适度等都无法保证的话，其他的智能化功能即使再好也没有意义。我们现在不把这些基本性能做好，花大力气去做智能化方面的技术投入，个人认为是舍本逐末，就好比忘了自己为什么出发。
 
我们的领导经常跟我们讲，汽车所表现出来的性能是设计出来，舒适性、静音性、操控等等；这里面的基础就是数学和动力学，而车身性能的实现更是设计出来的，抗弯、抗扭刚度、局部刚度、以及静刚度、动刚度等等，这里面的基础是材料力学，比如梁的截面设计、平板和曲面板的拓扑设计都是根据其基本性能要求确定下来的。
 
下面就从三个方面来介绍下车身性能的基本结构设计。
1、性能对车身的需求是什么
2、车身结构组成的基本元素划分
3、结构的基本性能设计
  • 1、性能对车身的需求是什么
车身材料大部分是钢材组成，还有铝合金、镁合金、碳纤维或者钢铝混合，塑料件等等，那么材料的基本属性要求就决定了车身的基本要求。关于车身结构的组成材料可以查看视频Audi A8 Body ASF technology那一期的介绍。
  • 刚度要求：在外部负载的作用下，车身抵抗变形的能力，这阶段处于线性段，结构的变形是非常微小的。比如悬架附接点处的车身刚度、大平板结构的刚度就决定了车辆的振动和噪声水平；车辆在侧向力的作用下，重心的弹性变形就决定了操控性能。
  • 强度要求：在外部负载的作用下，车身结构抵抗破坏的能力。这阶段处于非线性段，车身结构发生了永久变形而继续保持其功能的能力，这就决定了疲劳和耐久的基本性能。
  • 吸能要求：在车身结构发生大的永久变形下，能够吸收能量保护驾驶舱乘员生命的能力，这就决定了汽车的安全性能。
 
车身结构的基本性能能够直接影响到用户的驾乘体验，比如舒适性和操控性、噪声与振动、乘坐空间、安全性能、油耗和耐久等等。我们在前面介绍丰田TNGA架构的时候，提到了他们的策略就是持续不断的提升平台的基础性能，坚实的打基本功，为用户提供更好的汽车。在车展上，我也参观了丰田的展台，他们在电子智能化上并没有太多的投入和关注，在安全性、舒适性、静音性动态表现堪称精品。那一期的内容可以查阅链接干货-你所知道和不知道的TNGA都在这里。
 
  • 2、车身结构的基本元素划分
车身结构大体上是由框架结构和面板结构组成。框架由横梁、铰接、焊接和支架组成。面板由平面载荷和垂向载荷面结构组成。就跟人体构造一样，框架结构好比就是骨骼，铰接和和焊接就好比是关节和韧带。骨骼和韧带是决定一个运动员潜力的重要指标，所以车身结构也是决定汽车动态表现的内在因素。
 
  • 3、结构的基本性能设计
汽车梁系结构如A柱、B柱、C柱以及纵梁截面可以简化为矩形开口梁模型，根据材料力学里面的数学推导，梁的弯曲刚度跟弹性模量、惯性矩正相关，跟长度负相关，而惯性矩跟截面尺寸和板厚相关。对于平板样件，弯曲刚度跟材料弹性模量、板厚和泊松比相关。
 
可以根据车身的这些基本性能要求设计出合理的截面尺寸，一般来说，对于梁系断面设计，其刚度的要求高于强度的要求。所以对于经验丰富的工程师，一根卷尺和游标卡尺基本就能判断白车身的弯曲刚度水平。
 
由此我想到了武侠里面最高的境界就是手中无剑，心中有剑。经常听到身边的同事在项目汇报上说：“结果是基于几何模型计算出来，仅供参考，具体以实测结果为准”。我个人是对这种结论不认同的。在没有计算机的年代，一样也能设计出汽车来，只有理解了根本内涵，才能融会贯通。
 
总结：
1、汽车车身的基本性能是决定整车动态性能表现的内在因素。如果一辆汽车连最基本的驾驶性能、安全性、舒适度等都无法保证的话，其他的智能化功能即使再好也没有意义。
2、材料的基本性能映射到了车身结构的基本性能，包含刚度要求、强度要求和吸能要求，分别对应汽车的操控和舒适性、可靠耐久性和碰撞安全性。
3、一个好的工程师是能够根据简化模型的基本尺寸和参数判断出车身结构的性能表现。
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