汽车车身梁刚度分析及振动控制

1.截面的种类

车身上的梁和立柱主要功能有两个：一是承载重量；二是构建刚度足够大的车身框架。很多系统（如动力总成）直接安装在车身上，因此，梁和立柱必须能承载这些重量。梁和立柱构建成了一定刚度的框架结构，来满足NVH等方面的性能要求。由于车身重量的限制，梁和立柱必须重量小、结构轻巧。梁和立柱都由薄壁板构成，即它们是由一块或者叠在一起的几块薄钢板卷曲而成。薄壁梁是指壁厚远远小于其他几何尺寸（如长度、高度）的梁。薄壁梁具有较大的刚度重量比，在车身上得到了广泛应用。

车身薄壁梁的截面有各种各样的形状，如矩形、圆形、不规则形状等，如图2-22所示。车身梁和立柱的截面通常是不规则形状，以达到最佳承重能力和最大刚度。

图2-22 车身梁和立柱的几种截面形状

车身梁截面通常是封闭的，即形成一个完整的环形。有些梁由多块钢板组成，形成几个环形。图2-23显示一个截面由两个环形组成，包括三块钢板，形成两个封闭的环形。环形的形状决定了梁的刚度，但是设计的时候，它受到空间布置的限制。所以，截面的设计要在刚度和空间布置之间寻找平衡。

按照截面是否开口，可将截面分为开口截面和闭口截面。如果截面的中线是一条封闭的曲线或者折线，这个截面被称为闭口截面；如果截面的中线是一条不封闭的曲线或者折线，这个截面被称为开口截面，如图2-24所示。

图2-23 两个环形的截面

图2-24 闭口截面和开口截面

2.截面形状与刚度

梁的抗弯刚度EI和抗扭刚度GJ中，E和G分别是材料的弹性模量和剪切模量，与材料本身的性质有关。I和J是截面的惯性矩和极惯性矩。式（2-4）和式（2-19）表明它们仅仅与截面的形状和轴的位置有关。因此，在材料确定的情况下，梁的抗弯刚度和抗扭刚度取决于梁的截面形状和大小。

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图2-25 封闭圆截面和开口圆截面

在设计车身梁时，应该尽可能使用闭口截面，因为闭口截面梁的刚度要远高于开口截面梁。下面以开口圆形薄壁梁和闭口圆形薄壁梁来说明它们的刚度差别，如图2-25所示。假设这两个圆截面的半径相同，壁厚相同，材料相同，下面以扭转刚度为例来说明两者的差别。

开口圆截面的扭转刚度为

式中，r为圆的半径；t为壁厚。

封闭网截面的扭转刚度为

开口网截面的扭转截面刚度与封闭网的扭转刚度之比为

由于梁的壁厚远远小于半径，即 因此开口截面梁的扭转刚度（GJ）_open远远小于封闭梁的扭转刚度（GJ）_close。对弯曲刚度，结论也一样。在车身上，应该尽可能避免使用开口截面梁，所以车身上的纵梁、横梁、立柱等梁的截面多数是封闭形状。

车身上的梁截面通常非常复杂而且不规则。当梁承受到扭转力矩时，梁截面的变形会使截面变成了一个空间曲面，而不在一个平面内，即出现翘曲变形。因此，计算车身截面的刚度非常复杂，通常需要将截面离散化，用几何分析和解析分析方法才能得到截面的刚度。

封闭截面的刚度比开口截面的刚度高很多，因此梁截面的设计尽可能是封闭的。车身梁上的封闭截面居多，但也有少数开口梁，比如隧道梁。有的地方是局部开口，如B柱安放安全带的地方。遇到需要开口的地方，要分析它对整体刚度的影响。有些车为了达到高的扭转刚度，甚至连隧道梁也设计成封闭的截面。