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车身变截面薄板关键问题及研究方法探讨

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车身变截面薄板关键问题及研究方法探讨　

刘涛张鹏飞　

（江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江２１２０１３）　应用技术　

－嶝■ｌ　

［摘要］本文针对国外先进ＴＲＢ技术进行了深入分析，得出其研究方法的难点是如何建立ＴＲＢ板的的力学模型，数值仿真模型及三维几何模型，以及沿轧　制方向连续变化的截面形状引出的材料机械性能的非均一化将会使工件回弹，最终提出了一套合理的分析研究思路。　

［关键词］ＴＲＢ；优化设计，车身轻量化；　

中图分类号：Ｕ４６６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—９１４Ｘ（２０１４）４８—０３４９一叭　

前言　目前，在汽车制造强国德国，ＴＲＢ已经投入到了汽车工业的实际应用中。　

图１（ａ）所示为一个被用在梅赛德斯一一奔驰Ｅ级别轿车上的ＴＲＢ原型零件。　

这个由ＴＲＢ冲压制成的连接件位于轿车后部，左右对称。前端板料厚度为０．　

８８ｍｍ，后端板料厚度为１．１５ｒａｍ，中间区域板料厚度均匀过渡，和以前由等厚　

度板冲压制成的同一零件相比，采用ＴＲＢ制成的零件不仅重量轻而且零件经　

受碰撞时各个部位的受力更加均匀。　

车身轻量化对改善汽车动力ｌ陛和经济性具有重要的意义，在汽车车身零件　

设计过程中采用变截面薄板（ＴＲＢ）以减轻车身自重，并提高车身的强度、刚度　和动态性能，是汽车轻量化的重要途径之一。因此，传统的基于等截面的汽车零　

件将需要重新进行优化设计。而ＣＡＥ方法为ＴＲＢ材料的汽车零部件的设计提　

供了便利条件，在零件的概念设计阶段就根据零件的性能要求对零件的板料截　

面进行设计。　

ＴＲＢ板的变截面特征使得基于等截面研究得出的很多力学以及冲压成形　

理论都无法适用，因此本项目研究的关键问题在于如何建立ＴＲＢ板的的力学　模型、数值仿真模型及三维几何模型，而这必须根据覆盖件的结构和形状特征，　

结合ＴＲＢ的特点，建立新能反映ＴＲＢ车身覆盖件特征的力学模型，以预测　

变截面薄板在冲压过程中的变形和材料流动情况。　

此外，ＴＲＢ薄板由于其本身结构的特殊性，即沿轧制方向连续变化的截面　

形状及由此引出的材料机械性能的非均一化将会使工件回弹问题变得更为复　

杂。　

本文目的在于运用ｃＡＤ／ＣＡＥ技术，以车身零件轻量化为设计目标，研究　

变截面薄板车身零件的参数化设计和拓扑优化设计方法，本文将为车身轻量化　设计提供一定的理论指导。　

１对车身立柱及横梁力学特性分析　

在研究国内外典型车身各立柱和横梁截面参数的基础上，进行多种常用截　

面梁的静力学特性研究（弯曲刚度、扭转刚度、重量、质心、惯性矩）、动力学特性　

研究（固有频率、振型以及不同边界条件下的响应分析），并进一步研究变截面　

直梁的分析方法。对各种典型粱构件进行模态实验，通过模型修正技术提高有　

１．２５ｍｍ　

图１奔驰ＴＲＢ零件　

图２研究试验方案　限元数值仿真模型的精度，总结薄壁梁建模中有关单元类型的选择、焊点模拟、　

边界条件的简化等方面的经验、技巧与一般规律。　

２车身ＴＲＢ薄板冲压成形仿真研究　

ＴＲＢ薄板不同于等截面薄板，ＴＲＢ薄板的车身覆盖件的冲压成形过程更　

为复杂，在同样的压边力和拉延力下，板Ｎ－￣－＇／＇－Ｎ位的变形都不均匀，成形过程　

控制更难。本项目拟运用有限元软件ＡＮＳＹＳ建立ＴＲＢ的分析模型，将ＴＲＢ薄　

板厚度过渡区进行离散化处理，采用线性插值的方法描述ＴＲＢ材料的非均匀　

性，建立ＴＲＢ材料的应力应变场。以影，￣ＴＲＢ拉延的板料过渡区长度、板料厚　

度比等为参数，以厚度过渡区拉延率和移动量等为评价指标，研究不同方案下　的厚度过渡区延伸率和移动量，最终得到板厚比和延伸率之间关系曲线。　

ＴＲＢ薄板冲压成形回弹的试验研究和数值模拟。通过对ＴＲＢ薄板在冲压　

过程中的回弹机理、回弹量控制的深入的研究，以掌握ＴＲＢ回弹的机理，以便　能比较精确地控制回弹量，最终获得令人满意的ＴＲＢ车身零部件。　

３　ＴＲＢ零件的参数化设计方法研究　以ＴＲＢ车身零件轻量化为设计目标，以强度、刚度为约束条件，通过有限　

元仿真并结合试验的手段，从结构设计和ＴＲＢ材料的应用方面人手，运用结构　

优化设计技术和拓朴优化设计技术优化ＴＲＢ车身零件结构。　

４合理的研究方法和技术路线　

采用现有商业化ＣＡＥ分析软件开展结构的强度、刚度、振动等力学性能分　

析，必要时自主编制相应的优化设计软件。首先解决和完善车身ＴＲＢ零件ＣＡＥ　分析的相关理论和技术关键，然后通过典型结构计算分析与实验的对比，不断　

对建模理论及实验技术进行修正和改进。具体技术路线如下：　

（１）将车身零件主要性能指标进行测试，建立ｃＡＥ模型并分析主要性能指　标，对比测试结果对分析模型进行一步完善，同时掌握零件的各项性能指标　

（２）运用材料力学、弹塑性力学、结构力学和振动等知识对原截面进行变截　

面优化，以零件的进行静态弯曲和扭转刚度、固有振动特性为研究目标，从理论　上优化最优截面形式；　

（３）根据优化的变截面零件，选择合理的变截面板料进行优化零件的试制，　

并根据板料相应跟新设计模型，并进行陛能分析；　（４）对优化零件进行各项性能试验，与等原零件的试验性能指标进行比较　

分析，并分析其减重效果－　

（５）根据试验结果和仿真分析的结论，研究车身零件从等截面设计向变截　面设计优化设计的基本规律。具体试验研究方案如图２。　

５总结　

由于设计与制造手段的落后，以及外国公司长期垄断整个产业链的核心技　术，造成我国汽车工业的自主开发能力相对薄弱。　

本文针对国外先进ｒＩ１　技术进行了深入分析，分析得出其研究方法的难　

点是：　１、沿轧制方向连续变化的截面形状引出的材料机械性能的非均一化将会　

使工件回弹。　２、且如何建立ＴＲＢ板的的力学模型、数值仿真模型及三维几何模型，也是　

研究问题的难点所在。　

在以上分析的基础上，提出了一套合理的分析研究思路。　

参考文献　

［１］胡朝辉；成艾国，钟志华．多学科优化设计在热成形车架轻量化中的应　

用．中国机械工程，２０１０（６）．　［２】汪文奇，陈菊霞．车身材料及制造轻量化技术的应用及挑战．汽车工艺　

与材料，２０１０（４）．　［３】３黄宜松；陈吉清，龙江启．车身轻量化材料的应用进展．中国制造业信　

息化，２００９（２１）．　

［４】马鸣图。易红亮，路洪洲－万鑫铭．论汽车轻量化．中国工程科学，２００９　

（９）．　［５］５朱文峰　童荣辉浏海江．面向轻量化的车身高强度钢覆盖件刚度仿真．　

同济大学学报，２００９（７）．　

［６】丁利．结构拓扑优化分析在电动小车车身的轻量化的应用．中国制造　

业信息化，２０ｏ９（１１）．　

科技博览《

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桥梁被动防船撞措施研究综述

桥梁被动防船撞措施研究综述

桥梁被动防船撞措施研究综述

摘要：文中针对桥梁被动防船撞装置的研究总结，主要介绍了梁被动防船撞装置的研究概况，对被动防撞设施进行了系统的分类和评述，分析了不同类型防撞装置的性能特点以及适用环境，提出了不同通航等级下，如何选择桥梁防撞装置的一些思路。

关键词：桥梁；船舶；防撞

随着经济发展，我国各类大桥越来越多，因船舶撞击诱发的桥梁垮塌事故越来越多，故加强桥梁防撞保护具有重要意义。近10余年来的统计资料表明，世界上发生的船桥碰撞重大事故已有100多起，造成严重生命财产损失。碰撞事故不仅降低桥梁的使用寿命、安全性、抗震能力，甚至会造成桥毁人亡的重大惨剧。本文从被动防撞的角度对桥梁防撞设施进行分类，并介绍了几种国内常用的被动防撞设施，分析其性能特点和适用条件，从而对如何选择合适的桥梁防撞装置提出一些思路和建议。

1桥梁被动防船撞设施

由于主动防船撞装置无法完全避免船舶撞击的发生，故被动防撞系统在桥梁防撞领域有着不可替代的作用。目前在国内使用得较多的防撞装置有护舷方式、防撞套箱和群桩式。

1.1防撞护舷

橡胶护舷是世界上使用得比较多的一种护舷防撞方式。我国各港口采用的护舷大部分为压缩型和橡胶浮筒。但橡胶护舷存在着高温易老化的缺点，在安装上也存在诸多不便，如果采用预安装，容易造成安装不精准，如果在桥墩完成之后进行打孔安装，则容易损伤桥墩墩体。随着新型材料的开发，力拓桥科开发出了纤维复合材料（KFR）护舷，通过“自适应”曲面的施工工艺，避免预埋件带来的安装不便以及橡胶容易高温老化的问题。 防撞护舷的优点是结构简单，维修费用低，作为直接抵御船舶撞击的防撞设施，在受到小吨位船舶撞击时防护效果不错。但对于大吨位船舶的撞击却无法满足吸能要求，橡胶护舷不能抵御这种吨位船舶的撞击。此外，当水位落差比较大的情况下，桥墩上需要安装的护舷就比较多，费用较高。

1.2消能防撞套箱

消能防撞套箱是现在我国使用的最多的一种桥梁防撞装置，主要依靠套箱的刚性和柔性变形来吸收船舶撞击能量，因为套箱具有一定的刚度，从而延长了撞击时间，减小了传递到桥墩上的撞击力。从结构形式上，可以分为固定式消能防撞套箱和浮式消能防撞套箱。材料组成上，可以分为钢套箱、KFR复合材料防撞套箱和LTPU复合材料防撞套箱。固定式消能防撞套箱适用于桥区水位变化不大的桥梁，浮式消能防撞套箱则适用于桥区水位变化幅度较大的情况。典型的刚性防撞装置有浮式钢套箱和混凝土套箱，其依靠自身和船舶“两撞俱损”的破坏性变形来吸收船舶撞击能量，桥墩易受到硬性撞击伤害，船桥碰撞力过大更会损坏燃油舱或液货仓舱壁，导致燃油或化学品泄露，造成船毁人亡、桥毁人亡、污染整个海洋环境等严重后果；现代船桥防护理念从“只注重保护桥墩”转变为“船桥和谐防撞”和“人性化保护”，显然柔性防撞装置更能符合时代发展的需求导向，下面就桥梁柔性防撞技术的研究现状以及材料组成上对以上３类套箱进行详细描述进行分析。

悬臂梁式动力吸振器多频减振研究

悬臂梁式动力吸振器多频减振研究

悬臂梁式动力吸振器多频减振研究

周荣亚

【摘 要】将悬臂梁作为动力吸振器附加在振动主结构上来达到振动抑制的目的,数值计算分析表明悬臂梁式动力吸振器具有多频减振特性.按照模态理论建立基于悬臂梁的具有集中参数的等效复式动力吸振器模型,悬臂梁的每一阶模态作为一个自由度的弹簧质量系统,把悬臂梁每阶模态的有效模态质量和等效模态刚度作为每一自由度弹簧质量系统的集中质量和刚度.用悬臂梁式动力吸振器的附加动刚度验证等效复式动力吸振器模型的正确性.将悬臂梁式动力吸振器附加在主梁末端,调谐悬臂梁式动力吸振器的前4阶模态达到对主悬臂梁的多频减振效果,证实了悬臂梁式动力吸振器多频减振特性.%Cantilever type dynamic vibration absorbers can

be attached to the principal structure to suppress vibration effectively.

Numerical analysis shows that the cantilever type absorbers have multi-band vibration reduction characteristics. In this paper, the equivalent

multiple spring-mass oscillator system model of the cantilever type

dynamic vibration absorber is established according to the modal

superposition theory. Each mode of the cantilever type dynamic vibration

absorber is treated as a single DOF spring-mass oscillator system. The

汽车轻量化设计理念

汽车轻量化设计理念

２０１０年海南省机械工程学会Ⅱ一１０９

从表５的分析结果中可以看出仅从连接点

的刚度来考虑的话，仅类焊点是完全可以取

消。但如果是作为一个完整的可行性分析却还要参考很多的别的工况，以及对整个白车身的

弯曲、扭转和模态的影响，综合考虑才能做下

结论。

６．结语

通过对某款家用轿车Ｂ连接点的刚度分

析。尝试了新的焊点模拟方式带来的便捷并也

对网格尺寸的大小进行了验证，提高了对网格问题的认识；第一次在连接点分析中考虑了非线性的接触情况，完善了企业的分析方式；最

后在工程方案的确定上进行了计算筛选。

７．参考文献［１］美国Ａ１ｔａｉｒ从司上海办事处。上海：宣传资料：２００７

［２】周中坚，卢耀祖。机械与汽车结构的

有限元分析。上海：同济大学出版社，１９９７

作者简介：第一作者：张羽翼、男、汉族、湖南泪罗、１９８２年４月、工程师、学士

汽车轻量化设计理念

王洪印（一汽海马汽车有限公司海口５７０２１６）

摘要：文章主要从以下三方面介绍汽车轻量化技术的应用及发展，包括轻量化材料的应用及发

展，汽车轻量化工艺技术发展，汽车结构轻量化设计思路。以及材料应用、技术运用过程当中需要

解决的问题及发展方向。

关键词：轻量化；轻质材料；热成型；奥氏体；马氏体

Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｄｅｓｉｇｎｃｏｎｃｅｐｔｃａｒ

ＷＡＮＧＨＯＮＧ－ｙｉｎ（ＦａｍＨａｉｍａＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＣｏ．，ＬＴＤ，Ｈａｉｋｏｕ５７０２１６）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｆｒｏｍｔｈｒｅｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｉｎｇｄｅｓｉｇｎｉｄｅａｓ．Ａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

汽车车架厚板料落冲模结构设计研究

汽车车架厚板料落冲模结构设计研究

文章编号：１６７２—０１２１（２０１０）０２—００７７—０５　

汽车车架厚板料落冲模结构设计研究　

窦美霞　，张清淼　

（１．北京中冀福庆专用车有限公司，北京怀柔１０１４００；　

２．北京天济星河科技有限公司，北京怀柔１０１４００）　

摘要：以汽车车架梁类件中的第一横粱为例，针对其特殊结构特点，提出了车架梁类件在冲压工艺及模　

具结构设计时应该着重注意的问题。阐述了厚板料落冲模结构设计时应遵循的设计步骤和原则，实现了厚板　

料落冲模非常规结构设计，提高了厚板料落冲模设计质量及效率，做到了产品的精细化设计。　

关键词：机械制造；落料模；厚板冲压；汽车车架　

中图分类号：ＴＧ７／Ｕ４６３　文献标识码：Ｂ　

１前言　

汽车的车架是车身中用来承载的基本组成部　

分，所以组成车架的各个零件都要求具有一定的强　

度和刚度。为了实现车架上的梁类件这一特殊产品　

性能要求，一般的梁类件都选用厚高强度板，这也就　

决定了车架梁类件模具结构设计与薄板、普通材料　

的模具结构设计相比较会存在很大的差异。这里着　

重针对车架梁类件的落冲模结构设计时应考虑的问　

题进行了总结，并针对厚板料落冲模在实际应用中　

的特殊结构进行了阐述。　

２车架梁类件　

２．１车架的组成：车架主要由左右纵梁及各种横梁　

经铆接、焊接而成；横梁按断面形状又分为槽型梁、　

盆形梁、管状梁、Ｑ型梁等类型（图１）。　

左右纵梁　

＿＿　

槽型梁　盆形梁　０型梁　管状梁　

图１车架装配图　２．２车架梁类件的特点　

车架上的梁类件一般具有形状简单、板料相对　

收稿日期：２０１０—０２—０８　作者简介：窦美霞（１９７９一），女，从事汽车结构设计及制造　较厚等特点。为了保证各个零件具有一定的强度和　

刚度要求，车架上的梁类件一般选用热轧钢板（如　

１６ＭｎＬ、０９ＳｉＶＬ、０８ＴｉＬ、ＩＯＴｉＬ、１６ＭｎＲＥＬ），此类钢种　

属于低合金高强度钢。各钢材的性能见表１。　

表１　梁类用热轧钢板性能一览表　

力学性能　冷弯试验　钢号　厚度　屈服极限　抗拉强度　伸长率　弯曲角度１８０。；ｄ内　／ｒａｍ　，ＭＰａ　，ＭＰａ　｜％　侧直径；ｎ板厚度