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几何力学是个什么鬼？ 一个问题：我们知道自行车分男女款，男款自行车是三角形结构车架，女款自行车则是“弯梁”结构，主要是为了方便女性穿裙子时骑行。倘若我们假设一个题：让同品牌同系列（这意味着同材质同工艺）的男款和女款自行车，分别以同速度去撞击一堵刚性水泥墙。这两台车的车架，变形程度孰大孰小？ 我想，大家心里都清楚，女款自行车撞击后的变形量更大。这时候，我们引出一个话题——几何力学。 事实上，在工业上，几何力学无处不在。一张纸拿在手里，它是软的。但如果我们把纸张折弯，形成一个槽钢形状，或者一个管状，此时它可以承受一定的力。而这就是最最简单的几何力学。
关于时下流行的轻量化话题 现在我们很多企业都在追求轻量化设计。于是我们不断的运用新材料新工艺，铝合金，激光焊接等等等等。往往是给自己带来很多新麻烦。但是，我们却很少想到一个思路，那就是新结构。事实上，我们完全可以运用传统材料，传统工艺，加上新结构，来做到轻量化的效果。 我国从国外引入了动车组技术，其中CRH1来自加拿大著名的庞巴迪公司，而CFRH2来自日本川崎重工，CRH3来自德国西门子，CRH5来自法国阿尔斯通。CRH1采用全不锈钢车体结构，其余车组采用轻量化挤出成型铝合金车体。他们装机功率接近，额定乘员人数相当，速度级别也类似，但不锈钢车体的CRH1的自重，却并没有比其他几种铝合金车体的动车组更重。这充分说明了庞巴迪公司在改变结构达到轻量化效果方面的高深造诣。 同样的案例还在其他很多行业发生。我国著名枪械设计师王志军设计的81系列自动步枪，是7.62毫米口径传统枪械，采用传统全钢（硼钢）结构，但因为结构设计合理，通过结构优化，将重量降低到3.5公斤的水平，成为全世界同口径步枪中重量最轻者。而我国新型小口径95系列枪族，采用铝合金，高强度铬钼钢，玻纤强化的浇筑尼龙等等新材料新工艺，重量3.35公斤，完全没有体现出小口径带来的先天减重优势。从这个案例，我们看到，如果结构优化处理的不合理，那么即使设计者拿出了新材料新工艺，依然无法让轻量化任务取得巨大成效。换句话说，结构优化在轻量化设计中起到的作用，远比新材料新工艺来的重要的多。
纵梁的布局 我们知道，按照汽车受力结构的不同，我们把车身结构划分为几大类。分别是非承载，全承载，和半承载。但这只是很简单的大类别上的划分。按照具体设计，每一个大类下面，我们还可以继续划分。比如全承载结构，就有量产乘用车常见的钣金承载结构，和上世纪90年代超跑常见的钢管桁架承载。甚至还有当下个别改进后成称之为“嵌入贯通纵梁的承载底板”的结构。 我们先看一看非承载结构的汽车车架。如图
关于“鹅颈”的说道 我一直想讲清楚这个话题，但苦于没太多时间，这次到是个好机会谈谈这个话题。有句俗话叫做“立木顶千斤”。一个笔直的木棍子能够撑起惊人的重物。而一个弯曲的木棍子却很容易被重物压溃折断。说实话，这是最基本的生活常识了，也是几何力学中最简单的现象。下面我们例出4种不同的钢管来各自支撑重物，我们可以看出他们的不同情况。因此而得出结论：其中笔直的钢管可以承受最大的压力，紧接着是半径较大的弧形钢管，再次是半径较小的钢管，最差的是直角折弯的钢管，他最容易被压垮。如图：
从此我们得出一个规律：在轴类结构轴向受压力的情况下，直线形的最不容易发生形变，而弧形结构的力学抵抗力，则和半径有关。半径越大，弧线越平滑，越接近直线的，对轴向压力的抵抗力越强。而最后，结构上存在“突然的拐点”的则表现最差。它是无法将一端的能量和力，良好的传递到另一端的。所有能量集中在一点，令结构快速压溃。 在汽车结构设计中，我们会遇到“鹅颈”。所谓鹅颈，指的是车架纵梁前方和后方的“抬头”位置。如图
因为乘员舱底板的高度，和前方发动机舱纵梁高度，以及车后部纵梁高度不同，因此才会存在“鹅颈”。此刻我们可以看出，在车辆正前方或者正后方碰撞中，鹅颈，是一个非常容易被压溃的位置。事实上我们也能够在汽车报废场里见到无数的因为剧烈碰撞而报废的车辆，符合这个规律。鹅颈被压溃，纵梁折弯，整个发动机舱上翘。 结合上文里和力学的分析，我们不难通过车辆的纵梁设计，大致分析出碰撞后的形变模式。 我们知道，车辆设计，纵梁段往往避不开鹅颈。当然，我们可以尽量把鹅颈设计的平滑些。如图 但鹅颈的存在，必然会让车架在正面碰撞时，产生一个上翘的力矩。如何抵抗住这个上翘力矩，成了我们下一个话题。而这个话题的答案，就是中通道。通常来说，中通道的存在，是为了给传动轴留下空间（后驱车辆）或者给排气管留下空间（前驱车辆），而为了尽量给车类乘员舱多留空间，甚至追求所谓的“后排平地板”，中通道越设计越小，越设计越低。但我们却忽视了一个非常重要的事情：中通道本身也是一个非常重要的力学通道。设计的好的中通道，可以很好的起到抵抗纵梁上翘的力矩。我们通过分析一些著名品牌汽车的设计时，是可以发现这一点的。特别是德国的宝马公司，多年来一直强调中通道的力学重要性，而坚持不让中通道小型化。我们可以看下图。宝马及其巧妙的利用一个Y形构件，处理来自前方的纵向压力。例如E85车身。如图 而其他比如奔驰保时捷之类的品牌，多年来也坚持在中通道上，运用高强度级别的钢材。其考虑也是出于此。 从车底往上看去，我们得到车辆的底视图。一般乘用车设计，发动机舱内的纵梁，往后延伸到达乘员舱时，会有一个鹅颈。鹅颈之后，纵梁往后方延伸，一直延伸到油箱前方位置结束。而车辆后备箱位置的纵梁，往前方延伸，在油箱两侧，往外侧伸张，最后与车门框梁融合，构成整体。因此，我们发现，大多数汽车的前方，后方纵梁，是各自独立的，与非承载结构的连续纵梁不同。当然，这也是钣金承载结构乘用车结构上的局限，限制了纵梁的布局。传统车辆的设计，导致在后排位置，出现2个压溃点。如图
而在半斤承载结构车辆上，融入连续纵梁想法则是车身结构设计的一个方向。而且可以直接避免这2个压溃点。如图 最早运用这个设计想法的是上世纪80年代美国克莱斯勒公司的切诺基。随后，日本三菱公司的帕杰罗也随之跟进，之后是日本铃木公司的超级维特拉。如图 以及美国通用公司的GL8商务车。而在轿车领域，日本马自达近年的“创驰蓝天”系列底盘（包含阿特兹与昂科赛拉），也是贯穿着这一设计思路。国内目前为止，奇瑞A3和一汽欧朗，属于此类设计。新能源车辆中，北汽的EV系列则是此设计思路的代表。这里以一汽欧朗为例说明：欧朗是一汽集团在大众老捷达的基础上，做了全新研发的产物。其结构就用到了上述概念，我们一起看一看，欧朗与捷达的对比。如图 以及那次著名的拉伸实验，如图：
关于三角形的用处 三角形的能量分散效应。将三角形的一个定点对准碰撞方向，碰撞能量则会经由三角形的两臂往后传递。将能量分为两路。从而简单的避开了应力集中问题。我们可以从意大利阿尔法罗密欧，以及日本日产公司的一些高端车辆的设计上看到这样的设计手法。比如下图中所表现出来的形式。
另一方面，三角形具有天然的“平面抗扭”效应。一个三角形选取任意两腰，在这2边的中间某个点，以刚性梁硬链接，我们可以发现，此时，该三角形的底边，与此横梁之间是不可能存在相对平面扭曲可能的。如图： 随着现代车辆对于车身抗扭刚度的要求越来越高，工程师们一直都不停的忙碌在如何提高抗扭刚度的研究工作中。有用高强度钢的，有加厚少受力钣件的，也有加粗力学构架截面的。但事实上，在车辆骨架设计过程中，我们完全可以充分利用这个几何力学的现象，来大大增强车身的抗扭刚度。而此时，我们结合上述的“前后贯通纵梁嵌入方案”，则不难发现，要做到充分利用到这种三角形平面抗扭效果并不是难事。
静态受力与动态冲击下不同截面设计的不同表现 这一讲会涉及到常见的一个话题：不同截面的杆件的侧面受力表现。通常，我们知道，同厚度同材质同截面积条件下，封闭的矩形截面，承受径向弯矩的能力越高，抗径向弯曲的刚度也越大。但很少有人会注意到，这是在杆件承受静态径向力这一前提。但如果是径向的冲击性受力情况下，则会有不同的情况发生。 当壁厚达到一定程度的情况下，圆管在受到径向冲击后，容易呈现出整体弯曲的形变模式，而矩形管的形变模式则比较复杂：当冲击力达到和超过管材的零界点之前，矩形管表现出极高的抗弯效果；当冲击力达到和超过管材的零界点之后，矩形管在受力点处迅速局部压溃，几乎失去大部分的抗弯能力而迅速折弯。笔者曾试验过一种新的复合截面管材，在做径向碰撞测试时得到良好的整体抗弯性能。如图
简单的总结 综合3大设计思路：1.运用“前后贯穿式嵌入纵梁”。2.充分利用“中通道”结构来得优化的受力方式。3.尽量避免“鹅颈”的存在，或者尽量使“鹅颈”平滑化。我们在乘用车车身结构设计的时候，可以充分融合这3大设计思路，同时结合其他的特色设计手段，来保证我们的设计尽量符合几何力学的原理，同时充分运用几何力学来优化力学设计。 |
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