新能源汽车铝合金轻量化结构——榫卯腔梁结构设计原理与方法

汽车轻量化要求在确保车身刚度、强度和安全性的基础上，最大限度减轻车身质量，以提升整车性能，降低能耗和用车成本。据研究数据显示，如果车辆重量能成功减少10%，其油耗可望降低6%至8%，同时排放也会降低约4%。
车身结构的优化是当前国内外汽车轻量化研究的焦点，特别是针对新能源汽车而言，轻量化的需求更加迫切。针对电动汽车的研究显示，每减少100公斤的重量，其行驶里程便可增加约10%。
在实现新能源汽车车身轻量化的过程中，可以采取多种策略。铝合金轻量化作为一条最重要的轻量化技术路线，在汽车上获得了越来越广泛的应用，尤其在乘用车上出现了全铝合金车辆结构、一体化铝合金压铸地板等标志性应用成果，但是，由于商用车结构原理与乘用车有很大差别，铝合金在商用车上的应用明显滞后。
材料的变化必然导致结构设计和制造工艺的变化，因此，对全铝合金车辆结构必须开展系统创新。经过十多年的研究与实践，本书提出了一套较完整的全铝合金轻量化车辆结构解决方案——榫卯腔梁（TMBB）轻量化结构，该解决方案已应用于客车和观光车，在物流车等其他交通工具上也可借鉴应用。本书对该轻量化结构体系进行了全面介绍，书中内容适合从事铝合金轻量化结构设计和轻量化新能源商用车开发的工程技术人员阅读，也可作为车辆工程专业汽车轻量化技术的参考教材。

本书内容源于作者团队十多年的研究与实践成果，书中提出的一套较完整的全铝合金轻量化车辆结构解决方案，已成功应用于客车和观光车，在物流车等其他交通工具上也可借鉴应用。本书对该轻量化结构体系进行了全面介绍，内容分为3部分：第１部分即第1章，介绍了铝合金车辆结构设计的核心问题、榫卯腔梁（TMBB）轻量化结构体系的总框架以及“五化”设计方法；第2部分包括第2-6章，系统阐述了TMBB的力学基础、轻量化分析方法以及基础结构的轻量化规律，研究对象包括型材、“榫卯+”连接、基础框结构和基础腔结构；第3部分包括第7-11章，系统介绍了基于TMBB结构体系的铝合金车架结构、铝合金车身结构、铝合金硬点系统的创新设计，TMBB车辆结构的力学分析方法，以及整车开发与测试试验。
本书适合从事铝合金轻量化结构设计和轻量化新能源商用车开发的工程技术人员阅读，也可作为车辆工程专业汽车轻量化技术的参考教材。

前言
第1章　榫卯腔梁（TMBB）轻量化结构体系1
1.1　铝合金车辆结构设计的核心问题1
1.2　TMBB技术体系及产品体系概述2
1.2.1　TMBB技术体系2
1.2.2　TMBB产品体系3
1.3　TMBB结构4
1.4　TMBB“五化”设计方法6
1.4.1　榫卯化7
1.4.2　型材化9
1.4.3　框化11
1.4.4　腔化15
1.4.5　一体化17
第2章　铝合金型材轻量化设计20
2.1　铝合金型材的力学计算20
2.1.1　纯弯剪计算模型21
2.1.2　截面纯扭转应力26
2.2　型材轻量化原理28
2.2.1　型材轻量化评价指标29
2.2.2　型材截面的轻量化规律及优化方法31
2.2.3　型材截面的加强及减弱效应35
2.3　“铝代钢”轻量化方法39
2.3.1　比较模型39
2.3.2　等尺寸条件下铝代钢的性能比较40
2.3.3　等重量条件下铝代钢的性能比较41
2.3.4　等刚度条件下铝代钢的性能比较42
2.3.5　等负荷条件下铝代钢的性能比较43
第3章　榫卯结构几何原理46
3.1　榫卯结构几何原理46
3.1.1　榫卯结构的构造性定义46
3.1.2　榫卯结构的基本性质49
3.1.3　复合榫卯结构定义50
3.1.4　榫卯结构的运动学参数计算51
3.1.5　典型榫卯结构类型54
3.2　铝合金榫卯结构几何原理58
3.2.1　铝合金榫卯结构的基本构成58
3.2.2　铝合金榫卯结构的几何缺陷59
3.2.3　面向榫卯结构的铝合金型材截面拓扑规律60
3.2.4　常见的铝合金榫卯结构61
第4章　榫卯结构力学原理63
4.1　榫卯结构静力学原理63
4.1.1　榫卯结构静力学分析方法63
4.1.2　榫卯面表面压应力分析65
4.1.3　榫头根部截面应力分析69
4.1.4　卯孔壁根部截面应力分析71
4.2　榫卯结构强度理论74
4.2.1　榫卯结构的失效及强度校核74
4.2.2　临界榫卯结构76
4.2.3　榫卯结构的失效顺序评估77
4.3　铝合金“榫卯+”接头的连接性能研究79
4.3.1　典型接头连接性能的定性比较79
4.3.2　典型接头连接性能的仿真试验82
4.4　铝合金榫卯接头的试验研究88
4.4.1　铝合金榫卯接头样件制备88
4.4.2　铝合金榫卯接头弯曲试验设计89
4.4.3　铝合金榫卯接头弯曲力学性能89
第5章　框结构的轻量化原理96
5.1　基础框结构的几何原理96
5.2　基础框结构的力学原理98
5.2.1　基础框的载荷98
5.2.2　骨架框的力学分析99
5.2.3　“骨架+单蒙皮”的力学分析103
5.2.4　“骨架+双蒙皮”的力学分析104
5.3　基础框结构的轻量化规律105
5.3.1　面内剪切刚度的轻量化规律106
5.3.2　面外弯曲刚度的轻量化规律107
5.3.3　面外扭转刚度的轻量化规律108
5.4　框加强结构的轻量化规律109
5.4.1　框加强结构的轻量化分析模型109
5.4.2　典型框加强结构109
5.4.3　框加强结构的轻量化规律111
5.5　骨架框的性能测试114
5.5.1　试验样件设计114
5.5.2　试验方案设计115
5.5.3　试验结果与分析116
第6章　腔结构的轻量化原理120
6.1　腔结构的力学基础120
6.2　腔结构的轻量化规律129
6.2.1　基础腔的几何参数及性能指标129
6.2.2　基础腔的轻量化规律130
6.2.3　腔的失效规律132
6.3　薄壁腔的表面局部加强135
6.3.1　局部加强结构的几何定义135
6.3.2　局部加强腔的仿真计算135
6.3.3　局部加强机理分析138
6.4　薄壁腔的腹板加强143
6.4.1　理论分析143
6.4.2　数字仿真145
6.5　骨架蒙皮复合腔加强146
6.5.1　理论分析146
6.5.2　等效腔骨架148
6.5.3　复合腔的性能分析149
第7章　TMBB铝合金车架结构152
7.1　二级踏步6m小巴TMBB铝合金车架152
7.1.1　车架设计空间分析152
7.1.2　车架的腔梁拓扑设计154
7.1.3　型材化、榫卯化及一体化设计157
7.1.4　隧道腔梁式二级踏步TMBB车架特点160
7.2　一级踏步6m小巴TMBB铝合金车架161
7.2.1　车架设计空间分析161
7.2.2　车架的腔梁拓扑设计162
7.2.3　“榫卯+”设计164
7.2.4　竹排腔梁式一级踏步TMBB车架特点165
7.3　二级踏步8m中巴TMBB铝合金车架166
7.3.1　车架设计空间分析166
7.3.2　车架的腔梁拓扑设计167
7.3.3　型材化及“榫卯+”设计168
7.4　一级踏步电动滑板铝合金TMBB车架170
7.4.1　车架设计空间分析170
7.4.2　车架的腔梁拓扑设计171
7.4.3　结构详细设计172
7.4.4　方格腔梁式TMBB车架特点174
第8章　TMBB铝合金车身结构175
8.1　非承载式TMBB铝合金厢货176
8.1.1　厢货拓扑设计176
8.1.2　TMBB车身结构设计177
8.1.3　厢货结构特点180
8.2　承载式TMBB铝合金客车车身180
8.2.1　车身拓扑设计180
8.2.2　TMBB侧片模块设计184
8.2.3　TMBB车顶结构设计187
8.2.4　TMBB前舱结构设计189
8.2.5　模块装配设计190
8.2.6　承载式TMBB客车车身结构特点191
8.3　增强型承载式TMBB铝合金车身192
8.3.1　车身拓扑设计192
8.3.2　树杈仿生TMBB侧片模块设计194
8.3.3　增强型TMBB客车车身结构特点195
第9章　TMBB铝合金硬点系统196
9.1　铝合金硬点系统设计原则及方法196
9.2　板簧悬架铝合金硬点系统197
9.2.1　包裹式板簧硬点系统197
9.2.2　嵌入式板簧硬点系统199
9.3　避震铝合金硬点系统201
9.4　平衡杆铝合金硬点系统202
9.5　方向机铝合金硬点系统203
9.5.1　包裹式方向机硬点系统203
9.5.2　嵌入式方向机硬点系统204
9.6　麦弗逊式悬架铝合金硬点系统206
9.6.1　下摆臂硬点系统206
9.6.2　避震塔硬点208
9.7　扭力杆悬架铝合金硬点系统210
9.7.1　双摆臂硬点系统210
9.7.2　斜拉杆硬点系统210
9.7.3　扭力杆硬点系统210
9.8　气弹悬架硬点系统214
第10章　TMBB车辆结构的力学原理216
10.1　TMBB车架静力学216
10.1.1　车架纵向弯曲性能分析216
10.1.2　车架横向弯曲性能分析225
10.1.3　车架扭转性能分析225
10.1.4　车架扭转刚度的有限元分析230
10.2　TMBB车身模块静力学232
10.2.1　TMBB侧片结构的力学分析233
10.2.2　TMBB车顶模块的力学分析239
10.3　TMBB整车静力学241
10.3.1　车身载荷分析241
10.3.2　整车横向剪切力学分析241
10.3.3　整车纵向弯曲力学分析244
10.3.4　整车纵向扭转力学分析247
10.3.5　TMBB车身承载参与度分析249
10.4　TMBB整车模态分析250
第11章　TMBB整车性能测试254
11.1　白车身力学试验254
11.1.1　白车身弯曲试验254
11.1.2　白车身扭转试验257
11.2　整车侧翻试验260
11.2.1　试验方案设计260
11.2.2　试验结果分析261
11.3　行驶可靠性试验263
11.3.1　试验样车263
11.3.2　客车的基本性能测试263
11.3.3　客车的可靠性测试264
11.4　整车小批示范265
11.4.1　小型巴士266
11.4.2　园区通勤车267
11.4.3　新结构乘用车267
参考文献　269