汽车设计断面与刚度到底有什么关系？看车身钣金材料和应力强度

互推小编 2024-04-07

薄壁杆件的截面形状对其截面特性有很大影响，与刚度有关的截面特性是弯曲惯性矩l，扭转惯性矩k等。

汽车设计断面与刚度

薄壁杆件的截面形状可分为闭口和开口两类，他们的截面特性有较大差别。例如，对于闭口截面，扭转惯性矩Jk=4As×Asxt/s，式中As为板料厚度中线所围成的面积、可见，中线周长s一定，材料厚度t一定，抗扭惯性k与As的平方成正比，所围面积大小则很重要。矩形截面中，正方形抗扭能力最高，当矩形两边之比h/b>2式，扭转刚度明显下降。

汽车设计结构

下表为材料面积A相等（周边的长度s和料厚t均相等）。表中分别表示对主惯性轴y的抗弯惯性矩和抗弯断面系数，Wk为抗扭断面系数。

汽车设计钣金材料

注：表中各截面参数的数值是归一化后的数值，即分别以三种截面的最大值为1可见，在材料面积A和壁厚t保持不变的情况下，闭口截面的抗弯性能稍次于开口截面。

因此，从提高整个车身和构件的扭转刚度出发，宜多采用闭口截面，如结构功能、配合关系以及制造工艺等等。

如下：

车身设计断面

车身为承载式轿车车身骨架截面示例；为了提高扭转刚度，通常采用封闭截面。

当对车身骨架初步设计方案进行有限元分析后，可根据计算得到的内力分布情况。骨架结构中的应力集中。

车身骨架

当受力杆件的截面发生突变时，就会由于刚度突变引起截面变化处应力集中。在经常承受交应变应力的汽车车身上，应力集中可能诱发进展性裂缝，导致疲劳损坏，甚至断裂。这是车身结构损坏的重要原因之一。因此，在结构设计时要避免截面急剧变化，特别是要注意加强板和接头的设计。

断面应力分析

车身就曾出现此类问题，如图所示为车身的后底板后横梁横臂板，在应力集中区由于设计了过渡台阶面且翻边正好到台阶面处，导致此处应力集中在路试过程中疲劳损坏直致断裂，应力集中区

因此在后来的设计更改中更成下图，在应力集中于减小太极面加长翻边距离且加宽件的截面宽度等等，避免产生应力集中使应力均匀些。

断面应力分析

在车身上又很多受有集中力需要使用加强板的部位，如固定车门较链的地方、悬挂操纵踏板处等。但是应合理设计加强板的大小和厚度。加强板太小，则不足以将集中载荷通过加强板分散到较大的面积上；加强板太大，则会增加质量，一般加强板的厚度比加强件的板料为厚，但厚度不宜相差悬殊，否则，不仅咱加强板边缘由于刚度突变会引起集中而出现裂纹，而且对焊接强度也是不利的。如车身安装前门较链部分外板为0.75mm安装板为0.9mm，加强板为1.5mm在设计车身时，承载杆件上需要开一些孔洞，以便安装各种导线、管路和机构等。显然，由于这些孔洞将产生应力集中，应尽可能将孔位选在应力较小的部位。此外，开一个大孔比开数个小孔应力集中更严重。

在设计车身车身初期，犯了一个较为严重的错误，只是借鉴别的车的现有的经验，未对车身骨架设计方案进行有限元分析，所以有部分车身件在路试过程中出现问题，如左悬置支架的断力，上面所说的后底板后横梁横臂板断裂等。

所以在对车身骨架设计方案进行有限元分析后，能得到内力分布情况。

汽车车门及盖的说明

1、断面图：（可以在门、盖里说明）重要性：车身断面图是车身设计人员不可缺少的必修课，从断面图可以很清晰的反映车身各个部分的结构，件与件之间的搭接关系，怎样才能准确的画出车身断面图（仔细的观察车身结构及多练，熟能生巧），哪几部分的断面图是重要的（四门两盖压合边，四门与侧围，两盖与顶盖、侧围等等，其实车身各个部分的断面图都是很重要的），

2、车身冲压用材料

冲压材料的主要力学性能指标

（一）屈服强度

屈服强度小，材料易于变形，当压缩变形时，不易起皱，对弯曲变形，会弹性小，即贴模性和定型性好。

（二）屈强比

屈强比越小，即材料易于塑性变形而不易拉裂。

（三）伸长率

伸长率表示板料产生均匀变形的或稳定的塑性能力，直接决定伸长类变形中的冲压成型能力。伸长率是影响翻孔或扩孔成型性能最主要的参数。

（四）应变强化指数n n值越高，表示成型加工中高变形区强度较高，变形较易传播到领近的低变形区，从而应变分布较为均匀，减少局部变形集中的现象。n值对于拉胀成形尤为重要。

（五）塑性应变比r值

由于冷轧钢板各方项性能不同，r值代表钢板拉伸时，宽度方向和厚度方向应变比值。r越大，表示材料越不易在厚度方向发展变形，深冲性能越好。

除了以上几种主要的力学性能，常见的还有杯突值（IE）和烘烤硬化值（BH）。杯突值用于评价板料的拉胀形能。杯突值越大，拉胀形能越好。烘烤硬化值是指试样进行拉深后170温度下保持20分钟时屈服强度的上升量，是烘烤硬化钢的主要性能之一。

3.2车身冲压件用的材料

（六）深冲钢板，又称深冲级普通强度冷轧钢，包括ST12，ST13，ST14

（ST1405，ST14F，ST14HF）。

ST12又称铝镇静钢，具有一定的强度和好的塑性。用于汽车水箱外壳等一般成形加工。

ST13和ST14又称特殊镇静钢，即非时效钢。这种钢与ST12相比较，冲压成形后，零件表面不产生滑移线，即冲压件表面质量较好。Sr13常用于汽车门窗等冲压成形的加工。sT14常用于汽车油箱等深冲压成形加工，ST1405中05表示钢的表面质量较好，没有划痕等缺陷，而ST14（F/HF），F 表示复杂拉延级，HF 表示很复杂拉延级。

（七）高强度钢板，又称深冲级含磷高强度超低碳镇静钢，包括B170P1和B210P1。

由于该钢板中加入磷，由于磷具有很强的强化能力，约是硅的7倍，锰的10倍，所以要获得同等强度，只需加入少量的磷即可，同时还避免由于加入大量的硅与锰而带来塑性和延伸率的降低。另一方面，该钢中的碳含量很低，提高了钢的塑性和延伸率。

（八）超深冲钢板，又称超深冲高强度超低碳IF钢，指ST16，ST1605。

由于该钢中加入了强碳，氮化活物，固定了钢中的碳氮原子，故该钢又称无间隙原子钢。

（九）烘烤硬化板，又称超低碳烘烤硬化钢，指B140H1，B180H1。该钢在冷轧退火时，碳氨原子以间隙固溶存在，当预变形后高温时效处理时，碳氮原子向位错处聚集钉扎，提高了材料的屈服强度。故该类钢具有良好烘烤硬化性能。钢板在冲压成形前既有较低的屈服强度，经拉深变形或冲压成形后，并进行涂漆烘烤，屈服强度得到一定的提高，即抗凹性能得到提高。

（十）酸洗钢板，包括SPHC，SPHE，SAPH370。

该类钢具有生产流程短，成本低，以及较高的强度和较好的延伸率，用于制造汽车车架，车轮等零件。

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