單體殼結(jié)構(gòu)不等于單一面結(jié)構(gòu)

在本系列的一篇文章中車云菌曾講到過(guò)，碳纖維單體殼有一個(gè)大的優(yōu)勢(shì)即承載重物的作用力可均勻的分散到每一個(gè)面，所以碳纖維單體殼車身相比于空間桁架結(jié)構(gòu)的車身要擁有更高的安全性。那這是不是意味著HRT車隊(duì)的碳纖維單體殼車身只需要單一的一塊板子就可以實(shí)現(xiàn)了呢？肯定沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。要說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們先把目光從整個(gè)單體殼車身細(xì)化到單體殼車身上的每一個(gè)小面上，從小面的受力原理來(lái)反推碳纖維單體殼車身所采用的面板結(jié)構(gòu)。

在生活中我們總可以遇到這樣的例子，當(dāng)一張紙以面的形式存在的時(shí)候非常柔軟，用來(lái)敲人腦袋都感覺(jué)不到疼，但當(dāng)我們把這張紙卷起來(lái)，再敲一敲腦袋就感覺(jué)到很大的力度，而這也是為什么單一的一個(gè)面無(wú)法構(gòu)成單體殼車身結(jié)構(gòu)的直觀的例子。當(dāng)然，為了解釋這個(gè)問(wèn)題哈爾濱工業(yè)大學(xué)HRT車隊(duì)的隊(duì)員們還專程進(jìn)行了一系列的力學(xué)推算。

其實(shí)這個(gè)例子涉及到結(jié)構(gòu)力學(xué)中一個(gè)基本的原理——中空管結(jié)構(gòu)。相比于薄板結(jié)構(gòu)，中空管結(jié)構(gòu)的慣性矩要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同等厚度的薄板結(jié)構(gòu)，而慣性矩在計(jì)算結(jié)構(gòu)的彎曲剛度等參數(shù)時(shí)是作為公式中的分子出現(xiàn)的，換言之，慣性矩越大，結(jié)構(gòu)所能承受的載荷就越大。根據(jù)HRT車隊(duì)的內(nèi)部設(shè)計(jì)資料推算，同等材質(zhì)同等厚度下的鋼管截面彎曲強(qiáng)度是鋼板彎曲強(qiáng)度的250倍，因此也就不難理解為什么現(xiàn)在市場(chǎng)上這么多車雖然沒(méi)有采用單體殼的架構(gòu)，但是依舊可以獲得不錯(cuò)的碰撞安全性。

我們將話題再回到HRT的賽車上。那么在這種情況下，如果僅僅是只使用單一的面來(lái)構(gòu)成碳纖維單體殼車身的話，要保證單一面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度就只能對(duì)材料進(jìn)行無(wú)限制的加厚，很顯然，這樣的做法是非常愚蠢且不切實(shí)際的，而HRT車隊(duì)所采用的方法是，利用三明治力學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)尋得突破。

什么是三明治結(jié)構(gòu)？

就像前文所提到的那樣，要保證單一面能夠擁有中空管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，就必須增加厚度，但是增加的厚度也不能完全做到物盡其用。為什么呢？在結(jié)構(gòu)力學(xué)中有一個(gè)經(jīng)典的結(jié)構(gòu)模型可以解釋這個(gè)問(wèn)題——懸臂彎曲。

懸臂彎曲簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是一根具有縱向?qū)ΨQ平面的硬質(zhì)梁一邊固定，另一邊懸空并施加一個(gè)向下的力。

懸臂彎曲

在處于這個(gè)狀態(tài)時(shí)，這根硬質(zhì)梁所承受的是彎矩和剪力。對(duì)于硬質(zhì)梁的每一個(gè)微小平面而言，所產(chǎn)生的力就是正應(yīng)力和切應(yīng)力，且這個(gè)微小的平面所承受的正應(yīng)力和切應(yīng)力是呈現(xiàn)出下圖中的分布態(tài)勢(shì)。

顯而易見(jiàn)，切應(yīng)力主要集中在這個(gè)微面的中間，而正應(yīng)力則是在兩端。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)公式計(jì)算，正應(yīng)力的數(shù)值是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切應(yīng)力，因此在板材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，中間層的板材完全可以設(shè)計(jì)得更輕巧一些，強(qiáng)度弱一些也沒(méi)有關(guān)系。這樣一來(lái)既可以有效提高材料的利用率，同時(shí)又可以提升材料的剛度和強(qiáng)度。經(jīng)驗(yàn)證，在重量保持不變的情況下，使用三明治結(jié)構(gòu)，可以將材料的強(qiáng)度提高到超過(guò)實(shí)心板兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。什么有些難以理解？沒(méi)關(guān)系，車云菌照舊舉個(gè)我們身邊的例子。在生活中制造紙殼箱所用的紙殼隨處可見(jiàn)，而它就是典型的三明治結(jié)構(gòu)。

綜上所述，哈爾濱工業(yè)大學(xué)HRT車隊(duì)賽車所使用的碳纖維單體殼車身面板就是這種三明治結(jié)構(gòu)，外表的兩層板為碳纖維面板，中間的夾層為蜂窩鋁。另外，三明治的結(jié)構(gòu)也是目前諸多碳纖維單體殼車輛所運(yùn)用的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，且其在飛機(jī)和船舶工程領(lǐng)域也常被采用。

三明治結(jié)構(gòu)的短板

雖然三明治結(jié)構(gòu)好處頗多，但也不是盡善盡美，比如HRT車隊(duì)的賽車在設(shè)計(jì)中，就必須要解決點(diǎn)載荷受力的難題，而這也是三明治結(jié)構(gòu)的一大短板。還是用紙殼上來(lái)舉例。捅壞紙殼箱好的辦法當(dāng)然就是用個(gè)銳器那么輕輕一戳，必破。究其原因，主要是源于在考慮三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們只是在二維的空間平面上來(lái)進(jìn)行的應(yīng)力計(jì)算，可將其放到三維空間里，點(diǎn)載荷的施加就很容易破壞三明治結(jié)構(gòu)的組合，因此如果把由該結(jié)構(gòu)構(gòu)成的碳纖維板直接用于固定車身零件，如懸掛、安全帶或者是兩塊面板與面板之間通過(guò)螺栓連接時(shí)，則必然會(huì)導(dǎo)致因結(jié)構(gòu)受到破壞而造成預(yù)緊力不足，更有甚者會(huì)致使面板因應(yīng)力集中而直接損壞。故三明治結(jié)構(gòu)的板材現(xiàn)在多用于面受力的情況，也就是前文所說(shuō)到的飛機(jī)、船舶等。

那這個(gè)問(wèn)題在HRT車隊(duì)上又是怎么解決的呢？答案來(lái)其實(shí)很簡(jiǎn)單，直接加強(qiáng)安裝點(diǎn)位置的內(nèi)芯材質(zhì)問(wèn)題便可迎刃而解。具體來(lái)說(shuō)，HRT車隊(duì)賽車的碳纖維單體殼車身的所有受力安裝孔都采用硬質(zhì)材料替代蜂窩鋁，就相當(dāng)于是在每一個(gè)孔里都塞了一個(gè)小小的套筒，這個(gè)套筒的制作工藝又分為前置式和后置式兩種，這點(diǎn)在接下來(lái)的成型工藝文章中車云菌還會(huì)詳細(xì)講到，此處并不多做贅述。言而總之，緊固墊片均采用大尺寸的墊片以減小剪切應(yīng)力，說(shuō)白了，就是把點(diǎn)載荷有效的分散傳遞到每個(gè)面上去，如此一來(lái)，炭纖維單體殼即不會(huì)再有因集中受力而導(dǎo)致破損的情況發(fā)生。

小結(jié)：

通過(guò)三期的探討，想必大家也已經(jīng)對(duì)哈爾濱工業(yè)大學(xué)HRT車隊(duì)的碳纖維單體殼車身結(jié)構(gòu)有了一個(gè)整體的了解。可俗話說(shuō)，工藝是呈現(xiàn)設(shè)計(jì)的手段，那HRT車隊(duì)的碳纖維單體殼車身又是如何制造數(shù)來(lái)的呢？在接下來(lái)的文章里，車云菌將從成型角度對(duì)其加以說(shuō)明，敬請(qǐng)期待。