原创《车身薄壁结构的刚度理论与应用》
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1引言
薄壁结构是由薄板件通过冲压工艺形成不同形状,并通过连接工艺组成的结构,能以较小的重量和较少的材料承受较大的载荷,因其良好的力学性能和轻量化特性,在车体结构中被广泛应用.薄壁结构与传统工程结构在力学性能上存在较大差异,其截面形状具有不对称性且壁厚相较于截面尺寸占比很小,在载荷作用下除了整体变形外还存在局部变形的情况.本文通过薄壁结构理论研究,识别结构的几何形状和材料特性对刚度和轻量化方面的影响,方便在车身设计过程中,能够使用更少的重量,得到更为优异的结构性能,同时减少反复尝试的时间.
2薄壁结构的弯曲刚度特性及轻量化理论
2.1薄壁结构弯曲刚度特性
根据材料力学刚度影响要素,我们很容易推导出结构弯曲刚度公式：
KB等于fi×E×I
其中,f；是系数,与结构的边界约束条件、作用位置有关,不同约束条件的f,值见表1；E是材料弹性模量,与材料有关,比如钢铁、塑料、铝合金；I是惯性矩,与截面形状,材料厚度有关.
在常规车身结构设计过程中,结构边界条件相对固定,因此,可以通过选用弹性模量E更高的材料或者优化截面惯性矩I来提高结构弯曲刚度,而对于以钢材为主的车身结构,在车身结构设计过程中,则需要重点提升截面惯性矩来提高结构弯曲刚度.
2.2惯性矩的计算
截面惯性矩是影响结构承载能力的重要因素,根据惯性矩知识,矩形薄壁结构和圆形薄壁结构的惯性矩如下：
(1)对于矩形薄壁截面（如图1）,
其中,d为为薄壁梁截面厚度t中线处的直径.
由结果可知,对于矩形截面,腔体的高度h对惯性矩影响较大,其次为材料厚度t,腔体的宽度b对惯性矩影响较小；对于圆形截面,腔体直径d对惯性矩影响较大,其次为材料厚度t.
可见,在相同材料面积的下,对于闭环截面,改变A/S,即改变截面形状可以有效提高截面的极惯性矩效率,根据几何原理,A/S比值由大到小分别为圆形,正六边形,正方形,长方形,三角形；对于开环截面,只有通过增加料厚才能提高极惯性矩效率.
4薄壁结构的屈曲理论及其优化方案
4.1 薄壁结构在压力载荷下的屈曲理论
由前文的薄壁结构的刚度理论我们可知,相同的材料面积,当把材料远离中性轴后,可以提升结构的惯性矩,弯曲刚度随之增加.那么把材料无限远离中性轴后,我们是否可得到非常大的弯曲刚度呢？
结果必然是否定的,实际上,给细长杆或薄壁腔体施加一个载荷,载荷逐渐增加,当载荷很小的时候,细长杆或薄壁腔体的变形与载荷成正比,但当载荷超过某一值的时候,由于在轴线或柱面的垂直方向出现大量横向紧缩,导致结构无法维持原有特性的平衡状态,最后出现崩溃,这一现象称为屈曲,出现屈曲时的载荷称为屈曲载荷,出现屈曲时的应力称为临界屈曲应力,临界屈曲应力取决于板的宽厚比b/t.
在薄壁理论中,薄壁板在受到压力载荷时,局部区域由于发生屈曲现象会降低整个结构的承载能力,如果我们能够提高屈曲区域的临界屈曲应力,就可以有效提高整体结构的承载能力.为了更好的理解,我们将临界屈曲应力公式进行变形：
理论研究论文参考资料：
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