轻量化设计的第一步是要学习选择构造形式。总体来说,这取决于使用与成本要求、安全要求与修复要求、加工的可能性等几个方面。
车身制造是选择车身构造形式的首要因素。根据汽车生产批量的不同,车身构造方法的选择是不同的,选择一个空间框架的构造方案,或是选择一个集成板壳的结构方案。如今,车身构造的最终确定往往取决于系统经济性。
轻量化中的基本构造方式可以分为差动构造、整体构造、集成构造和复合构造等几种。
1. 差动构造
在结构轻量化中,差动原理属于传统的设计构造技术。在差动构造中,结构由单个(常常是很多的)单一件通过连接技术组合在一起;在车身板材轻量化中,差动构造通常采用搭接、铆接或者焊接等方法进行加工。
搭接点累积的连接重量肯定是与重量最小化设计的初衷背道而驰的。差动构造的优点在于,将不同的材料(如“拼焊板”)相互连接在一起,并且可以采用非常薄的板材。这样在维护或者修理时比较容易更换损坏的零件,而且可以采用不同的半成品。另外,差动构造具备良好的失效-安全-质量动态安全行为,这是因为其结构上存在的孔与横截面过渡可以有效地阻止裂纹的产生或扩展。其缺点则是,连接处通常也是临界位置所在,容易产生的问题是应力集中与腐蚀;而且按照连接方式的不同,会在结构中带来附加的重量(如螺栓联接的情况)。
2. 整体构造
在整体构造中,构件或者整个结构尽量采用一个构件来制造。其原理是将构建的数量减少到最低,最好能以一件式的方式实现。近年来,整体构造原理得到了进一步的发展,即通过造型实现多种功能(孔、轴颈等)的一体化。从实现汽车最小重量这一点来说,整体构造是合适的方法。比如,车身上热成形或铝合金的B柱。
整体构造的缺点是由于采用同样的材料,材料与模具的成本往往会更高,而且易损坏、难修复。这类均质设计的结构在侧面撞击的时候往往无法有效抵御裂纹的扩散,或者在运动中无法有效地克服阻力。
3. 集成构造
出于损坏行为与必要的修理、更换或者回收等方面的考虑,应对构造一体化集成加以限制。在保留基体的同时,可以尝试实现部分结构一体化。
4. 复合构造
纯粹的纤维复合设计属于经典的高度一体化结构。不过,在机械制造与汽车制造中,由于无法完全脱离“金属的环境”,很难实现这一设计。鉴于此,设计的目标是尽量适应这种材料环境。
复合结构主要应用于飞机制造。举例来说,在空中客车飞机制造中,铝型材与纤维板,特别是带有芳纶纤维增强材料(AFK)的芳纶铝层合板(ARALL)的组合已成为行业技术标准。在汽车制造中,在树脂中植入纤维条与成型板材的复合构造将会有极大的应用潜力。目前,由这种材料制成的构件正在小型运输车上进行全天候的试验。
5. 实壁体与壳体
通常对于大的结构(如商用车车身或者车厢)来说,只具备单一功能是不够的,往往还要求在承载性能上有进一步的差异性(刚度、固有频率)。例如,飞机机身的框架有桁架结构、实壁体和板壳体三种。这三种结构分别体现了三个原理性的系统解决方案。
在桁架结构方案中,支承结构和整流罩完成了各自的功能。桁架结构是主要承力部件,而板件则不受力。这种结构的优缺点都很明显。即使是在今天,这种结构也在商用车或者在小批量生产的电动车中得到很多的应用。
在之后的设计开发中,开始采用实壁体构造方式。在这种结构中,支承部件和整流罩相互连接起来。实壁体的构造来源于板壁和实体单弦杆的设计结构。在此结构中,支承部件被加以分解,板主要承受剪流(来自剪切力),弦杆则承受结构弯曲造成的单一力。
相比之下,壳体的设计更加轻盈。壳体构造中所采用的肋条和骨架由薄壁型材制成,可以将受力连续分布在整个结构上。型材承受剪流和法向力流,并将其传递到整个整流罩上。为了实现这一点,力的导入与导出设计往往特别重要。