汽車車身技術(shù)經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展和演化，已經(jīng)形成了一系列的技術(shù)成果，并且在量產(chǎn)車型上得到了大范圍的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了更好的安全性和輕量化效果，典型的技術(shù)成果包括環(huán)狀結(jié)構(gòu)車身、碰撞相容性技術(shù)、疲勞耐久設(shè)計(jì)、模擬仿真技術(shù)、壓鑄鋁合金應(yīng)用以及三角結(jié)構(gòu)的應(yīng)用六種。在已有技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，車身技術(shù)在“結(jié)構(gòu)-材料-工藝”三要素螺旋式上升發(fā)展的過程中不斷實(shí)現(xiàn)更高的安全性和輕量化目標(biāo)。
2009年，來自奧迪汽車的Dr. Klaus Koglin在“歐洲超輕汽車（Super Light Car）”項(xiàng)目總結(jié)會(huì)議上提出了關(guān)于汽車車身技術(shù)的經(jīng)典的問題：“不同的車身設(shè)計(jì)是否存在統(tǒng)一的輕量化架構(gòu)”來實(shí)現(xiàn)材料和結(jié)構(gòu)的最佳匹配從而發(fā)揮出最佳的性能。這個(gè)問題其實(shí)引出了汽車車身技術(shù)發(fā)展中更為普適性的問題：“是否存在共性的車身設(shè)計(jì)技術(shù)來滿足不斷發(fā)展的安全性和輕量化要求”。
根據(jù)近年來汽車車身技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的成果，我們總結(jié)了以下六種車身設(shè)計(jì)的共性技術(shù)。
01 環(huán)狀結(jié)構(gòu)車身設(shè)計(jì)技術(shù)
環(huán)狀結(jié)構(gòu)特征在飛機(jī)和潛水艇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是為實(shí)現(xiàn)高性能、輕量化和低成本的一種非常直觀的體現(xiàn)，而在汽車車身設(shè)計(jì)中環(huán)狀結(jié)構(gòu)特征需要汽車工程師進(jìn)行特征的表達(dá)轉(zhuǎn)換。環(huán)狀結(jié)構(gòu)車身的應(yīng)用也回答了Dr. Klaus Koglin的問題，環(huán)狀結(jié)構(gòu)所表征的車身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或框架設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)不同的車身材料變化。
環(huán)狀結(jié)構(gòu)車身有三個(gè)方面的要求，分別是連通性要求、連續(xù)性要求以及性能要求。連通性要求指的是車身骨架任意接頭為起點(diǎn)，沿著較短路徑回到起點(diǎn)，形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)特征。環(huán)狀結(jié)構(gòu)不局限于圓形或者方形，同時(shí)可以是平面也可是空間的，只要形成一個(gè)封閉的結(jié)構(gòu)就可以具備非常好的整體剛度和變形協(xié)調(diào)能力，從而實(shí)現(xiàn)“防御劍陣”的功效，實(shí)現(xiàn)載荷的快速分流。
連續(xù)性要求指的是車身鈑金焊接構(gòu)成的封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)任意位置都具有一定的封閉或者半封閉截面，避免截面的突變?cè)斐蓜偠鹊慕档?，尤其是要考慮環(huán)狀結(jié)構(gòu)接頭和路徑連接處，保證在載荷傳遞方向上截面完全對(duì)接。
如果車身骨架滿足環(huán)狀結(jié)構(gòu)特征，并且每個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)都能滿足連續(xù)性的要求，根據(jù)目標(biāo)選擇合適的車身材料，那么白車身結(jié)構(gòu)將會(huì)實(shí)現(xiàn)理想的車身抗扭、抗彎、抗壓和抗變形的能力。
車身上的環(huán)按照位置可以分為16個(gè)環(huán)，如圖1所示。
圖 1 車身環(huán)狀結(jié)構(gòu)分布
根據(jù)環(huán)狀結(jié)構(gòu)對(duì)車身性能的影響，可以將16個(gè)環(huán)分為四類。分類情況如表1所示。
表1 車身的環(huán)狀分類
典型環(huán)狀結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖 2 典型的車身環(huán)狀結(jié)構(gòu)
02 碰撞相容性車身設(shè)計(jì)理念
碰撞相容性指的是兩車發(fā)生碰撞時(shí)，提升自我保護(hù)性能的同時(shí)降低對(duì)方的傷害。這就對(duì)汽車前防撞梁、前縱梁和副駕部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選取提出更高的要求，一般在車輛發(fā)生正向或偏置碰撞的時(shí)候，縱梁、底梁和A柱等結(jié)構(gòu)是碰撞力的主要傳遞路徑。
以本田思域?yàn)槔?，如圖3所示。前縱梁采用多邊形結(jié)構(gòu)，使得有效碰撞壓潰吸能；B位置的設(shè)計(jì)可以在偏置碰撞時(shí)避免錯(cuò)位，從而起到抵抗和大面積接觸作用；C位置采用封閉結(jié)構(gòu)能夠有效吸能。
圖3 碰撞相容性結(jié)構(gòu)
03 車身疲勞耐久設(shè)計(jì)優(yōu)化
車身疲勞耐久設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠有效改善大疲勞應(yīng)力水平位置，而車身疲勞耐久設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅是車身鉸鏈的設(shè)計(jì)，還包括車身疲勞耐久的模擬分析以及焊點(diǎn)的耐久性分析。車身疲勞耐久分析的一般流程如圖4所示。
圖4 車身疲勞耐久性設(shè)計(jì)優(yōu)化流程
汽車車身的疲勞主要是高周疲勞，彈性應(yīng)變會(huì)占主導(dǎo)地位，即加載過程中沒有出現(xiàn)塑性變形。這樣車身連接處的不平滑、焊點(diǎn)及工藝孔都可能成為疲勞破壞的開始點(diǎn)，因此應(yīng)用疲勞耐久的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法能夠通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)以及確保連接有效性的方式提升車身的性能，同時(shí)考慮車身材料的強(qiáng)度也非常有必要，通過提高材料的屈服強(qiáng)度，確保材料屈服應(yīng)力大于車身最大的疲勞應(yīng)力。
04 成型材料數(shù)據(jù)的模擬仿真技術(shù)
整車性能模擬仿真的準(zhǔn)確性的一個(gè)重要的影響因素即為輸入材料數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，尤其是對(duì)于雙相鋼（DP鋼）和相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP鋼）而言。DP鋼在加工硬化過程中，材料性能將得到大幅的提高，從而提升車輛的碰撞性能。例如DP鋼2%的預(yù)應(yīng)變可以提升40%~50%屈服強(qiáng)度，如圖5所示。
圖 5 成形前后材料參數(shù)對(duì)比
采用成形后材料數(shù)據(jù)替代材料的原始曲線數(shù)據(jù)作為整車性能模擬的輸入，可以大幅提升CAE性能分析的準(zhǔn)確性，尤其是對(duì)汽車整體性能的預(yù)測(cè)以及局部性能細(xì)節(jié)的預(yù)測(cè)。例如對(duì)于TRIP鋼，在成形過程中發(fā)生了奧氏體轉(zhuǎn)變，材料強(qiáng)度明顯的提高，在做車身性能分析的時(shí)候，如果還采用原始材料數(shù)據(jù)顯然會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差。除了獲得成形后材料數(shù)據(jù)外，還應(yīng)該使用正確的失效準(zhǔn)則應(yīng)變材料曲線，用失效準(zhǔn)則優(yōu)化焊點(diǎn)模型。
05 壓鑄鋁合金在車身上的應(yīng)用
在車身關(guān)鍵接頭位置采用鑄造鋁合金構(gòu)件強(qiáng)化設(shè)計(jì)應(yīng)該說是車身領(lǐng)域的重大創(chuàng)新，這將能夠顯著提升NVH、碰撞安全、輕量化性能，同時(shí)減少零部件數(shù)量和降低成本。以A柱和B柱與門檻強(qiáng)化連接為例，鑄造鋁合金的使用可以節(jié)約6%的零件數(shù)量并減重10%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效的防水功能，如圖6所示。
圖 6 壓鑄鋁合金連接構(gòu)件的應(yīng)用
除了車身連接構(gòu)件，壓鑄鋁合金也已經(jīng)在一體式車身上得到應(yīng)用。特斯拉的一體鑄造機(jī)的專利應(yīng)用能夠?qū)④嚿淼?0多個(gè)零件減少到1個(gè)部件，大大減少了供應(yīng)鏈復(fù)雜度，提升了生產(chǎn)效率。
06 三角結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
三角結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在車身地板中，如地板縱梁和橫梁中加入三角結(jié)構(gòu)能夠抵抗正面碰撞中地板和門檻的剪切破壞以及增加車身的剛度，除了正向碰撞力之外，三角結(jié)構(gòu)在車輛發(fā)生側(cè)面碰撞的時(shí)候也可以分散B柱和門檻受到的側(cè)向力，如圖7所示。
圖7 三角結(jié)構(gòu)在車身中應(yīng)用示例
國(guó)內(nèi)輕量化專家陳一龍針對(duì)汽車車身設(shè)計(jì)曾有非常精辟的表述：“結(jié)構(gòu)是龍頭，材料是基礎(chǔ)，工藝是橋梁”，這也為未來車身技術(shù)的發(fā)展提供了提綱挈領(lǐng)的指導(dǎo)。在未來車身技術(shù)的發(fā)展中，將會(huì)有更多新材料的出現(xiàn)和成熟，相應(yīng)地，適配新材料的車身結(jié)構(gòu)和工藝也會(huì)不斷發(fā)展和成熟，從而實(shí)現(xiàn)更高的安全性和輕量化目標(biāo)。