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，碳纖維單體殼有一個大的優(yōu)勢即承載重物的作用力可均勻的分散到每一個面，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車隊的碳纖維單體殼車身只需要單一的一塊板子就可以實現(xiàn)了呢？肯定沒有這么簡單。要說明這個問題，我們先把目光從整個單體殼車身細化到單體殼車身上的每一個小面上，從小面的受力原理來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候非常柔軟，用來敲人腦袋都感覺不到疼，但當(dāng)我們把這張紙卷起來，再敲一敲腦袋就感覺到很大的力度，而這也是為什么單一的一個面無法構(gòu)成單體殼車身結(jié)構(gòu)的直觀的例子。當(dāng)然，為了解釋這個問題哈爾濱工業(yè)大學(xué)HRT車隊的隊員們還專程進行了一系列的力學(xué)推算。

其實這個例子涉及到結(jié)構(gòu)力學(xué)中一個基本的原理——中空管結(jié)構(gòu)。相比于薄板結(jié)構(gòu)，中空管結(jié)構(gòu)的慣性矩要遠遠大于同等厚度的薄板結(jié)構(gòu)，而慣性矩在計算結(jié)構(gòu)的彎曲剛度等參數(shù)時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車隊的內(nèi)部設(shè)計資料推算，同等材質(zhì)同等厚度下的鋼管截面彎曲強度是鋼板彎曲強度的250倍，因此也就不難理解為什么現(xiàn)在市場上這么多車雖然沒有采用單體殼的架構(gòu)，但是依舊可以獲得不錯的碰撞安全性。

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)的強度就只能對材料進行無限制的加厚，很顯然，這樣的做法是非常愚蠢且不切實際的，而HRT車隊所采用的方法是，利用三明治力學(xué)結(jié)構(gòu)來尋得突破。

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)中有一個經(jīng)典的結(jié)構(gòu)模型可以解釋這個問題——懸臂彎曲。

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

懸臂彎曲

在處于這個狀態(tài)時，這根硬質(zhì)梁所承受的是彎矩和剪力。對于硬質(zhì)梁的每一個微小平面而言，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。

顯而易見，切應(yīng)力主要集中在這個微面的中間，而正應(yīng)力則是在兩端。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)公式計算，正應(yīng)力的數(shù)值是要遠遠大于切應(yīng)力，因此在板材的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，中間層的板材完全可以設(shè)計得更輕巧一些，強度弱一些也沒有關(guān)系。這樣一來既可以有效提高材料的利用率，同時又可以提升材料的剛度和強度。經(jīng)驗證，在重量保持不變的情況下，使用三明治結(jié)構(gòu)，可以將材料的強度提高到超過實心板兩個數(shù)量級以上。什么有些難以理解？沒關(guān)系，車云菌照舊舉個我們身邊的例子。在生活中制造紙殼箱所用的紙殼隨處可見，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用的標準結(jié)構(gòu)，且其在飛機和船舶工程領(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車隊的賽車在設(shè)計中，就必須要解決點載荷受力的難題，而這也是三明治結(jié)構(gòu)的一大短板。還是用紙殼上來舉例。捅壞紙殼箱好的辦法當(dāng)然就是用個銳器那么輕輕一戳，必破。究其原因，主要是源于在考慮三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，我們只是在二維的空間平面上來進行的應(yīng)力計算，可將其放到三維空間里，點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螺栓連接時，則必然會導(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，也就是前文所說到的飛機、船舶等。

那這個問題在HRT車隊上又是怎么解決的呢？答案來其實很簡單，直接加強安裝點位置的內(nèi)芯材質(zhì)問題便可迎刃而解。具體來說，HRT車隊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)于是在每一個孔里都塞了一個小小的套筒，這個套筒的制作工藝又分為前置式和后置式兩種，這點在接下來的成型工藝文章中車云菌還會詳細講到，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，說白了，就是把點載荷有效的分散傳遞到每個面上去，如此一來，炭纖維單體殼即不會再有因集中受力而導(dǎo)致破損的情況發(fā)生。

小結(jié)：

通過三期的探討，想必大家也已經(jīng)對哈爾濱工業(yè)大學(xué)HRT車隊的碳纖維單體殼車身結(jié)構(gòu)有了一個整體的了解?？伤自捳f，工藝是呈現(xiàn)設(shè)計的手段，那HRT車隊的碳纖維單體殼車身又是如何制造數(shù)來的呢？在接下來的文章里，車云菌將從成型角度對其加以說明，敬請期待。