在前两期文章里，借助HRT车队的内部资料对碳纤维单体壳结构的优势及缺点分别进行了说明。本期中，将继续深入哈尔滨工业大学HRT车队，并从其设计资料中探寻碳纤维单体壳技术的设计要点及材料结构如何选择。
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从赛车到轿车,「碳纤维单体壳」带来车身技术革命
碳纤维单体壳：高能技术也有应用难题
单体壳结构不等于单一面结构
在本系列的第一篇文章中车云菌曾讲到过，碳纤维单体壳有一个最大的优势即承载重物的作用力可均匀的分散到每一个面，所以碳纤维单体壳车身相比于空间桁架结构的车身要拥有更高的安全性。那这是不是意味着HRT车队的碳纤维单体壳车身只需要单一的一块板子就可以实现了呢?肯定没有这么简单。要说明这个问题，我们先把目光从整个单体壳车身细化到单体壳车身上的每一个小面上，从小面的受力原理来反推碳纤维单体壳车身所采用的面板结构。
在生活中我们总可以遇到这样的例子，当一张纸以面的形式存在的时候非常柔软，用来敲人脑袋都感觉不到疼，但当我们把这张纸卷起来，再敲一敲脑袋就感觉到很大的力度，而这也是为什么单一的一个面无法构成单体壳车身结构的最直观的例子。当然，为了解释这个问题哈尔滨工业大学HRT车队的队员们还专程进行了一系列的力学推算。
其实这个例子涉及到结构力学中一个最基本的原理——中空管结构。相比于薄板结构，中空管结构的惯性矩要远远大于同等厚度的薄板结构，而惯性矩在计算结构的弯曲刚度等参数时是作为公式中的分子出现的，换言之，惯性矩越大，结构所能承受的载荷就越大。根据HRT车队的内部设计资料推算，同等材质同等厚度下的钢管截面弯曲强度是钢板弯曲强度的250倍，因此也就不难理解为什么现在市场上这么多车虽然没有采用单体壳的架构，但是依旧可以获得不错的碰撞安全性。
我们将话题再回到HRT的赛车上。那么在这种情况下，如果仅仅是只使用单一的面来构成碳纤维单体壳车身的话，要保证单一面结构的强度就只能对材料进行无限制的加厚，很显然，这样的做法是非常愚蠢且不切实际的， 而HRT车队所采用的方法是，利用三明治力学结构来寻得突破。
什么是三明治结构?
就像前文所提到的那样，要保证单一面能够拥有中空管的结构强度，就必须增加厚度，但是增加的厚度也不能完全做到物尽其用。为什么呢?在结构力学中有一个经典的结构模型可以解释这个问题—— 悬臂弯曲。
悬臂弯曲简单点说就是一根具有纵向对称平面的硬质梁一边固定，另一边悬空并施加一个向下的力。
悬臂弯曲
在处于这个状态时，这根硬质梁所承受的是弯矩和剪力。对于硬质梁的每一个微小平面而言，所产生的力就是正应力和切应力，且这个微小的平面所承受的正应力和切应力是呈现出下图中的分布态势。
显而易见， 切应力主要集中在这个微面的中间，而正应力则是在两端。根据结构力学公式计算，正应力的数值是要远远大于切应力，因此在板材的结构设计上，中间层的板材完全可以设计得更轻巧一些，强度弱一些也没有关系。这样一来既可以有效提高材料的利用率，同时又可以提升材料的刚度和强度。经验证，在重量保持不变的情况下，使用三明治结构，可以将材料的强度提高到超过实心板两个数量级以上。什么有些难以理解?没关系，车云菌照旧举个我们身边的例子。在生活中制造纸壳箱所用的纸壳随处可见，而它就是典型的三明治结构。
综上所述，哈尔滨工业大学HRT车队赛车所使用的碳纤维单体壳车身面板就是这种三明治结构，外表的两层板为碳纤维面板，中间的夹层为蜂窝铝。另外，三明治的结构也是目前诸多碳纤维单体壳车辆所运用的标准结构，且其在飞机和船舶工程领域也常被采用。
三明治结构的短板
虽然三明治结构好处颇多，但也不是尽善尽美， 比如HRT车队的赛车在设计中，就必须要解决点载荷受力的难题，而这也是三明治结构的一大短板。还是用纸壳上来举例。捅坏纸壳箱最好的办法当然就是用个锐器那么轻轻一戳，必破。究其原因，主要是源于在考虑三明治结构设计的时候，我们只是在二维的空间平面上来进行的应力计算，可将其放到三维空间里，点载荷的施加就很容易破坏三明治结构的组合，因此如果把由该结构构成的碳纤维板直接用于固定车身零件，如悬挂、安全带或者是两块面板与面板之间通过螺栓连接时，则必然会导致因结构受到破坏而造成预紧力不足，更有甚者会致使面板因应力集中而直接损坏。故三明治结构的板材现在多用于面受力的情况，也就是前文所说到的飞机、船舶等。
那这个问题在HRT车队上又是怎么解决的呢?答案来其实很简单， 直接加强安装点位置的内芯材质问题便可迎刃而解。具体来说，HRT车队赛车的碳纤维单体壳车身的所有受力安装孔都采用硬质材料替代蜂窝铝，就相当于是在每一个孔里都塞了一个小小的套筒，这个套筒的制作工艺又分为前置式和后置式两种，这点在接下来的成型工艺文章中车云菌还会详细讲到，此处并不多做赘述。言而总之，紧固垫片均采用大尺寸的垫片以减小剪切应力，说白了，就是把点载荷有效的分散传递到每个面上去，如此一来，炭纤维单体壳即不会再有因集中受力而导致破损的情况发生。
小结：
通过三期的探讨，想必大家也已经对哈尔滨工业大学HRT车队的碳纤维单体壳车身结构有了一个整体的了解。可俗话说，工艺是呈现设计的手段，那HRT车队的碳纤维单体壳车身又是如何制造数来的呢?在接下来的文章里，车云菌将从成型角度对其加以说明，敬请期待。
来源：中国新材料网
