車身結構設計之力學——幾何力學是個什麼鬼

幾何力學是個什麼鬼？

一個問題：我們知道自行車分男女款，男款自行車是三角形結構車架，女款自行車則是「彎梁」結構，主要是為了方便女性穿裙子時騎行。倘若我們假設一個題：讓同品牌同系列（這意味著同材質同工藝）的男款和女款自行車，分別以同速度去撞擊一堵剛性水泥牆。這兩台車的車架，變形程度孰大孰小？

我想，大家心裡都清楚，女款自行車撞擊後的變形量更大。這時候，我們引出一個話題——幾何力學。

事實上，在工業上，幾何力學無處不在。一張紙拿在手裡，它是軟的。但如果我們把紙張折彎，形成一個槽鋼形狀，或者一個管狀，此時它可以承受一定的力。而這就是最最簡單的幾何力學。

關於時下流行的輕量化話題

現在我們很多企業都在追求輕量化設計。於是我們不斷的運用新材料新工藝，鋁合金，激光焊接等等等等。往往是給自己帶來很多新麻煩。但是，我們卻很少想到一個思路，那就是新結構。事實上，我們完全可以運用傳統材料，傳統工藝，加上新結構，來做到輕量化的效果。

我國從國外引入了動車組技術，其中CRH1來自加拿大著名的龐巴迪公司，而CFRH2來自日本川崎重工，CRH3來自德國西門子，CRH5來自法國阿爾斯通。CRH1採用全不鏽鋼車體結構，其餘車組採用輕量化擠出成型鋁合金車體。他們裝機功率接近，額定乘員人數相當，速度級別也類似，但不鏽鋼車體的CRH1的自重，卻並沒有比其他幾種鋁合金車體的動車組更重。這充分說明了龐巴迪公司在改變結構達到輕量化效果方面的高深造詣。

同樣的案例還在其他很多行業發生。我國著名槍械設計師王志軍設計的81系列自動步槍，是7.62毫米口徑傳統槍械，採用傳統全鋼（硼鋼）結構，但因為結構設計合理，通過結構優化，將重量降低到3.5公斤的水平，成為全世界同口徑步槍中重量最輕者。而我國新型小口徑95系列槍族，採用鋁合金，高強度鉻鉬鋼，玻纖強化的澆築尼龍等等新材料新工藝，重量3.35公斤，完全沒有體現出小口徑帶來的先天減重優勢。從這個案例，我們看到，如果結構優化處理的不合理，那麼即使設計者拿出了新材料新工藝，依然無法讓輕量化任務取得巨大成效。換句話說，結構優化在輕量化設計中起到的作用，遠比新材料新工藝來的重要的多。

縱梁的布局

我們知道，按照汽車受力結構的不同，我們把車身結構劃分為幾大類。分別是非承載，全承載，和半承載。但這只是很簡單的大類別上的劃分。按照具體設計，每一個大類下面，我們還可以繼續劃分。比如全承載結構，就有量產乘用車常見的鈑金承載結構，和上世紀90年代超跑常見的鋼管桁架承載。甚至還有當下個別改進後成稱之為「嵌入貫通縱梁的承載底板」的結構。

我們先看一看非承載結構的汽車車架。如圖

關於「鵝頸」的說道

我一直想講清楚這個話題，但苦於沒太多時間，這次到是個好機會談談這個話題。有句俗話叫做「立木頂千斤」。一個筆直的木棍子能夠撐起驚人的重物。而一個彎曲的木棍子卻很容易被重物壓潰折斷。說實話，這是最基本的生活常識了，也是幾何力學中最簡單的現象。下面我們例出4種不同的鋼管來各自支撐重物，我們可以看出他們的不同情況。因此而得出結論：其中筆直的鋼管可以承受最大的壓力，緊接著是半徑較大的弧形鋼管，再次是半徑較小的鋼管，最差的是直角折彎的鋼管，他最容易被壓垮。如圖：

從此我們得出一個規律：在軸類結構軸向受壓力的情況下，直線形的最不容易發生形變，而弧形結構的力學抵抗力，則和半徑有關。半徑越大，弧線越平滑，越接近直線的，對軸向壓力的抵抗力越強。而最後，結構上存在「突然的拐點」的則表現最差。它是無法將一端的能量和力，良好的傳遞到另一端的。所有能量集中在一點，令結構快速壓潰。

在汽車結構設計中，我們會遇到「鵝頸」。所謂鵝頸，指的是車架縱梁前方和後方的「抬頭」位置。如圖

因為乘員艙底板的高度，和前方發動機艙縱梁高度，以及車後部縱梁高度不同，因此才會存在「鵝頸」。此刻我們可以看出，在車輛正前方或者正後方碰撞中，鵝頸，是一個非常容易被壓潰的位置。事實上我們也能夠在汽車報廢場里見到無數的因為劇烈碰撞而報廢的車輛，符合這個規律。鵝頸被壓潰，縱梁折彎，整個發動機艙上翹。

結合上文里和力學的分析，我們不難通過車輛的縱梁設計，大致分析出碰撞後的形變模式。

我們知道，車輛設計，縱梁段往往避不開鵝頸。當然，我們可以盡量把鵝頸設計的平滑些。如圖

但鵝頸的存在，必然會讓車架在正面碰撞時，產生一個上翹的力矩。如何抵抗住這個上翹力矩，成了我們下一個話題。而這個話題的答案，就是中通道。通常來說，中通道的存在，是為了給傳動軸留下空間（後驅車輛）或者給排氣管留下空間（前驅車輛），而為了盡量給車類乘員艙多留空間，甚至追求所謂的「後排平地板」，中通道越設計越小，越設計越低。但我們卻忽視了一個非常重要的事情：中通道本身也是一個非常重要的力學通道。設計的好的中通道，可以很好的起到抵抗縱樑上翹的力矩。我們通過分析一些著名品牌汽車的設計時，是可以發現這一點的。特別是德國的寶馬公司，多年來一直強調中通道的力學重要性，而堅持不讓中通道小型化。我們可以看下圖。寶馬及其巧妙的利用一個Y形構件，處理來自前方的縱向壓力。例如E85車身。如圖

而其他比如賓士保時捷之類的品牌，多年來也堅持在中通道上，運用高強度級別的鋼材。其考慮也是出於此。

從車底往上看去，我們得到車輛的底視圖。一般乘用車設計，發動機艙內的縱梁，往後延伸到達乘員艙時，會有一個鵝頸。鵝頸之後，縱梁往後方延伸，一直延伸到油箱前方位置結束。而車輛後備箱位置的縱梁，往前方延伸，在油箱兩側，往外側伸張，最後與車門框梁融合，構成整體。因此，我們發現，大多數汽車的前方，後方縱梁，是各自獨立的，與非承載結構的連續縱梁不同。當然，這也是鈑金承載結構乘用車結構上的局限，限制了縱梁的布局。傳統車輛的設計，導致在後排位置，出現2個壓潰點。如圖

而在半斤承載結構車輛上，融入連續縱梁想法則是車身結構設計的一個方向。而且可以直接避免這2個壓潰點。如圖

最早運用這個設計想法的是上世紀80年代美國克萊斯勒公司的切諾基。隨後，日本三菱公司的帕傑羅也隨之跟進，之後是日本鈴木公司的超級維特拉。如圖

以及美國通用公司的GL8商務車。而在轎車領域，日本馬自達近年的「創馳藍天」系列底盤（包含阿特茲與昂科賽拉），也是貫穿著這一設計思路。國內目前為止，奇瑞A3和一汽歐朗，屬於此類設計。新能源車輛中，北汽的EV系列則是此設計思路的代表。這裡以一汽歐朗為例說明：歐朗是一汽集團在大眾老捷達的基礎上，做了全新研發的產物。其結構就用到了上述概念，我們一起看一看，歐朗與捷達的對比。如圖

以及那次著名的拉伸實驗，如圖：

關於三角形的用處

三角形的能量分散效應。將三角形的一個定點對準碰撞方向，碰撞能量則會經由三角形的兩臂往後傳遞。將能量分為兩路。從而簡單的避開了應力集中問題。我們可以從義大利阿爾法羅密歐，以及日本日產公司的一些高端車輛的設計上看到這樣的設計手法。比如下圖中所表現出來的形式。

另一方面，三角形具有天然的「平面抗扭」效應。一個三角形選取任意兩腰，在這2邊的中間某個點，以剛性梁硬鏈接，我們可以發現，此時，該三角形的底邊，與此橫樑之間是不可能存在相對平面扭曲可能的。如圖：

隨著現代車輛對於車身抗扭剛度的要求越來越高，工程師們一直都不停的忙碌在如何提高抗扭剛度的研究工作中。有用高強度鋼的，有加厚少受力鈑件的，也有加粗力學構架截面的。但事實上，在車輛骨架設計過程中，我們完全可以充分利用這個幾何力學的現象，來大大增強車身的抗扭剛度。而此時，我們結合上述的「前後貫通縱梁嵌入方案」，則不難發現，要做到充分利用到這種三角形平面抗扭效果並不是難事。

靜態受力與動態衝擊下不同截面設計的不同表現

這一講會涉及到常見的一個話題：不同截面的桿件的側面受力表現。通常，我們知道，同厚度同材質同截面積條件下，封閉的矩形截面，承受徑向彎矩的能力越高，抗徑向彎曲的剛度也越大。但很少有人會注意到，這是在桿件承受靜態徑向力這一前提。但如果是徑向的衝擊性受力情況下，則會有不同的情況發生。

當壁厚達到一定程度的情況下，圓管在受到徑向衝擊後，容易呈現出整體彎曲的形變模式，而矩形管的形變模式則比較複雜：當衝擊力達到和超過管材的零界點之前，矩形管表現出極高的抗彎效果；當衝擊力達到和超過管材的零界點之後，矩形管在受力點處迅速局部壓潰，幾乎失去大部分的抗彎能力而迅速折彎。筆者曾試驗過一種新的複合截面管材，在做徑向碰撞測試時得到良好的整體抗彎性能。如圖

簡單的總結

綜合3大設計思路：1.運用「前後貫穿式嵌入縱梁」。2.充分利用「中通道」結構來得優化的受力方式。3.盡量避免「鵝頸」的存在，或者盡量使「鵝頸」平滑化。我們在乘用車車身結構設計的時候，可以充分融合這3大設計思路，同時結合其他的特色設計手段，來保證我們的設計盡量符合幾何力學的原理，同時充分運用幾何力學來優化力學設計。

作者：紐基