1、第3章 汽车车身结构分析与设计,1.了解轿车车身结构的总体设计要求； 2.掌握轿车车身结构的划分； 3.掌握车身结构强度与刚度设计方法； 4.了解车身结构动力学性能设计； 5.熟悉车身强度与刚度试验。,3.1 车身结构总体分析与设计,（一）车身结构的总体设计要求 车身结构设计的前提是满足功能要求，如强度、刚度、装配、美观、密封、碰撞、操作性和成型性等，这是结构设计的首要要求。1）轿车车身结构设计是以车身造型设计为基础，进行车身强度设计和功能设计，以期最终找到合理的车身结构形式。其设计质量的优劣关系到车身内外造型能否顺利实现和车身各种功能能否正常发挥，它是完成整个车身开发设计的关键环节。2）结构
2、设计在兼顾造型设计要求的同时，应充分考虑结构强度、防尘、隔声、降噪性能及制造工艺等设计要求。3）完成车身结构设计首先要明确车身整体的承载形式，并对其做出载荷分析，使载荷在整个车身上分配合理。在此基础上进一步做出局部载荷分析，确定各构件的结构形式和连接方式。,第3章 汽车车身结构分析与设计,第3章 汽车车身结构分析与设计,（二）车身结构的划分 车身结构装配顺序：冲压零件合件分总成总成。车身设计时，需要相应画出零件图、合件图、分总成图、车身焊接总成图和车身装配图等。 其整体结构的划分与零件的冲压工艺性、焊接工艺性以及提高制造装配精度都有很大的关系，同时还影响产品的系列化、标准化，影响生产率、生产组
3、织、工时的平衡和设备的复杂程度。 车身结构划分可以有多种方法，这里介绍两种：,第3章 汽车车身结构分析与设计,1. 从车身结构焊接工艺考虑将车身结构分为以下分总成，其焊接顺序：底架总成 侧围总成 顶盖、顶盖支承总成 散热器支架、车身后围板总成白车身结构总成,轿车车身总成结构的划分 1-顶盖 2-后围板总成 3-侧围总成 4-顶盖支承总成 5-散热器支架 6-底架总成 7-顶盖后加强板 8-后翼子板 9-前指梁,第3章 汽车车身结构分析与设计,2. 车身由前部、中部和后部总成组成 （1）前部 车身前部敞开部分承受较大的集中力，如动力总成、散热器、前板制件的重力和前悬架支承力等 ，这些力主要由两根
4、对称的前纵梁支承，并传至整个车身前部结构；车身前部的结构设计必须使其能有效地吸收冲击能量；前围板总成应有可将外部空气导入车室内的通风口，并具有阻止发动机噪声透过前围板传入乘坐室的作用 ；还要在散热器框架周围安装前照灯、散热器和空气冷凝器等 。 （2）中部 轿车中部是乘坐室部分，主要承受分散在地板上的重力，如车身装备和乘员的重力、悬挂在门柱上的车门重力等。 （3）后部 行李箱承受燃油箱、行李和备胎等重力，后纵梁承受后悬架的支承力。 车身结构总成无论怎样划分，其分总成的零件尺寸大、形状、结构复杂，截面和翻边形式多样，这就体现了车身结构的复杂性,第3章 汽车车身结构分析与设计,（三）车身结构件的分析
5、与设计轿车行驶时，车身不仅要受到在垂直方向上的车身自重和固定在车身上的所有总成和设备的重力，以及乘员和行李的重力作用，同时还受到由悬架和轮胎传来的侧向力与纵向力，以及惯性力和空气阻力等，有时还会受到碰撞载荷的作用，这些力都是由车身的承力结构件来承担。因此，车身结构件是保证车身所要求的强度和刚度的基础构件。 1. 车身结构件分类 1）功能件 如门立柱、窗框、门槛等。 2）加强件 结构加强件主要用于增强板件的刚度，提高各构件的连接强度。如车门加强板用以提高附件安装部位的刚度和连接强度。再如地板加强横梁、车门铰链安装加强板等。 3）非承载构件 它是为安装附件而设置的，如顶盖上为安装顶窗而设置的框架等
6、。,第3章 汽车车身结构分析与设计,2.车身结构件截面形状的选择车身结构件一般为薄壁杆件。根据承受弯曲和扭转力的大小，结构件的截面通常设计成闭口或半开口的形状，其截面形状和尺寸对其截面特性有很大影响，由刚度分析可知，与刚度有关的参数除了材料性质以外，主要是弯曲惯性矩和扭转惯性矩等截面特性。表中 截面的扭转惯性矩， 对主惯性轴的惯性矩，抗弯截面系数， 抗扭截面系数,第3章 汽车车身结构分析与设计,对于承载式车身结构件，为了提高其扭转刚度，全部采用闭口截面。图示为车身结构件的典型截面示意图,a)顶盖侧梁 b）中支柱 c）前风扇支柱 d）后风扇支柱 e）门槛,第3章 汽车车身结构分析与设计,3.车身
7、结构件设计 设计车身结构件时，应注意以下几个方面： 1）截面形状过渡处应避免应力集中。为了防止受力构件的截面发生突变而引起应力集中，诱发裂纹产生从而导致疲劳破坏，因此，截面形状突变处要逐步过渡，合理选择截面形状和尺寸，避免截面急剧变化。 2）车身结构件不仅要满足强度和刚度的要求，而且应使车身结构形成一个连续完整的受力系统和合理的载荷路径；同时部分结构件应能吸收一定的碰撞能量。 3）设计加强板时，加强板两端的形状应逐渐变化，保证其连接部位的刚度不发生突变。另外，应合理设计加强板的大小和厚度。若加强板太小，则不足以将集中载荷通过加强板分散在较大的面积上；加强板太大，则会增加质量。一般加强板的厚度应
8、比被加强件的板料厚，但二者厚度不宜相差太大。 4）要满足相邻部件的性能要求，如要适应门锁、铰链、限位器等的安装和性能要求。 5）不能破坏造型设计，外露骨架要与车身外形相适应。 6）还应具有装配功能，如完成与车门、发动机罩、行李箱盖的动态配合等。,第3章 汽车车身结构分析与设计,汽车在行驶时，车身结构中易出现载荷分配不均衡和结构刚度不适应载荷要求的情况，将影响承载系统的总变形，出现结构变形不均衡的现象 。 在构件布置设计时，尤其要注意乘坐室与前部敞开部分相连接区域刚度的加强；为避免大的力流集中由前纵梁通向乘坐室，结构件的布置应使通过前纵梁的力流分散地过渡到前围板区域及地板和门槛 。 图示为传统车
9、身与先进车身安全防护结构ACE (Advanced Compatibility Engineering)车身的前部结构的对比，体现了先进的安全设计理念 。,第3章 汽车车身结构分析与设计,【案例】从G-CON到ACE技术的进化G-CON车身技术的核心是通过对车身进行技巧设计，在车身变形量不增加的条件下，通过对车身冲击力(G)的控制，使乘员受到的冲击力(G)降低，保持了乘员舱的完整性，减轻了碰撞对乘员的伤害。要达到让车辆能够在有限的车体变形之下，将车内乘客的伤害降到最低的程度，这便需要车身不仅能吸能，而且还要更好的快速分散碰撞能量，更好地实现“吸能、分散”的设计理念。同时体现“MM”理念（Man
10、 Maximum & Mechanism Minimum，乘客享受最大空间和机械占用最小空间）。,第3章 汽车车身结构分析与设计,ACE技术是在本田引以为傲的GCON技术上革新发展而来的新一代车身技术。据业内专家介绍，大部分常规设计中，正面碰撞能量均被传导至车辆前端的下部承载结构，而ACE技术能够有效地将正面碰撞能量进行均匀分配，将冲击力更好的吸收到车辆上部和下部的车身结构中，包括底板纵梁、侧门槛和A柱。ACE系统通过建立明确的工程结构“路径”，使这些正面碰撞力能够在车辆结构总量的一个更大比例内进行分配，从而更加有效地使碰撞力避开乘员舱，减少乘员舱变形，进一步提高乘员保护。本田锋范的发动机舱与
11、乘员舱结构与新飞度一样应用了G-CON车身技术以及ACE高级碰撞兼容性工程设计理念 。,本田锋范车身结构,第3章 汽车车身结构分析与设计,（四）车身覆盖件的结构分析与设计 车身覆盖件的结构特点 1）形状复杂 大多数覆盖件是由复杂的三维空间曲面组成的。为了获得空气动力特性好的车身外形，覆盖件应当具有连续的空间曲面形状且冲压深度不均匀。为了体现车身造型的风格，常在某些曲面上设有棱线和装饰性结构，使覆盖件的形状变得更加复杂，可以说，车身覆盖件是形状最为复杂的冲压件。 2）外形尺寸大 为了简化装配工艺，减少零件数量，保证车身外形曲面的连续性和完整性，大多数覆盖件的外形尺寸都较大，有些覆盖件如侧围外轮廓
12、尺寸可达23m。 3）表面质量要求高 车身覆盖件的可见表面不允许有波纹、皱纹、凸凹痕、边缘拉痕、擦伤以及其他破坏表面完美的缺陷；覆盖件上的装饰棱线、筋条都应平滑、清晰，曲线应圆滑；相邻覆盖件在衔接处要对齐，间隙要小。 4）要有足够的刚度 因覆盖件是薄壳零件，汽车在行驶时会产生振动，引起覆 盖件的激振，所以必须要求覆盖件具有足够的刚度，从而避免共振，减小噪声和延长车身使用寿命。 5）要有良好的成型工艺性 设计车身覆盖件结构时，要求在一定的生产规模条件下，能够较容易地安排冲压工艺和设计冲压模具，有合理的装配硬点，能够最经济、最安全、最稳定地获得高质量的产品。,第3章 汽车车身结构分析与设计,2.
13、车身覆盖件的结构工艺分析与设计 （1）车身覆盖件的分块 车身覆盖件的分块是将已定型的汽车车身划分为大小合适的零件，以便组装成车身所需的各个部分。车身分块的数量和尺寸大小直接影响车身冲压工艺性和经济性。分块一般遵循以下原则： 1）覆盖件的分块应根据企业的设备情况与技术水平来确定，整个车身分块的零件数目应尽可能少，以便减少装配误差，也使接口处有良好的装配工艺性和焊接工艺性。 2）分块时应考虑零件的成形工艺性。主要指冲压、压弯、拉深等工艺要求。 3）最大覆盖件零件的展开尺寸不能超过板材的尺寸规格。 4）零件分块结构要合理。在保证装配精度的条件下，具有良好的装配工艺性（主要是焊接工艺性）以及车身整体组
14、装后的外形美观性。,第3章 汽车车身结构分析与设计,案例：轿车车身两种划分结构的方法,1-底架 2-门槛 3-中柱 4-前柱 5-前轮罩 6-前围 7-顶盖 8-侧壁 9-前围窗框 10-后风窗,第3章 汽车车身结构分析与设计,（2）车身覆盖件拉深、冲裁、压弯和翻边工艺的设计要求,1）车身覆盖件的拉深方向应保证凸模能完全进入凹模,覆盖件的凹形决定拉深方向 a) 凸模不能进入凹模 b) 凸模能进入凹模,第3章 汽车车身结构分析与设计,2）尽可能一次拉深成形 3）对于具有反拉深的覆盖件，尽可能加大变形部分的圆角半径，以防局部因延伸变薄而破裂。 4）车身上的孔应避免细长孔，尽可能采用圆孔、方孔等规则
15、孔，因加工规则孔的模具成本较低，且细长孔对模具强度不利。另外，设计时孔与孔之间、孔与边之间的距离应恰当，以免冲裁时由于距离太小引起周边材料的变形或破裂 ，如图所示，推荐 = = 13mm 。,第3章 汽车车身结构分析与设计,5）若弯曲零件的弯曲角小于90，则其弯曲半径应不小于板料厚度。 6）车身覆盖件大都需要翻边成形，以便加强零件刚度或用于与其他两家的连接。设计时，应正确选择翻边曲率的大小，翻边的宽度应随着曲率的增大而相应减小。如车门外板拐角处的翻边宽度 应小于平直部分的宽度 ，或做成多个切口，如图所示。,门外板翻边,第3章 汽车车身结构分析与设计,3.车身焊接工艺,焊装工艺是影响车身制造质量
16、的重要因素，焊装工艺设计与车身产品设计及冲压工艺设计是互相联系、互相制约的，必须综合考虑。影响车身焊装工艺性的主要因素有生产批量、车身产品分块、焊接结构、焊点布置等。车身零件大都是薄壁板件或薄壁杆件，其刚性较差，所以在装焊过程中必须使用多点定位夹紧的专用焊装夹具，以保证各零件或合件在焊接处的贴合和相互位置，特别是门窗等孔洞的尺寸等 。为便于制造，车身设计时，通常将车身划分为若干个分总成，各分总成又划分为若干个合件，合件由若干个零件组成。车身焊装的顺序则是上述过程的逆过程，即先将若干个零件焊装成合件，再将若干个合件和零件焊装成分总成，最后将分总成和合件、零件焊装成车身总成。,第3章 汽车车身结构
17、分析与设计,第3章 汽车车身结构分析与设计,车身常用焊接方法,第3章 汽车车身结构分析与设计,车身零件焊接接头设计 研究表明，车身接头刚度对整个车身刚度的影响可达50%70%。车身结构的内力通过接头传递，在传力过程中，接头的变形会影响整个车身结构的变形。设计车身零件焊接接头时应考虑以下几方面： （1）点焊接头尽可能采用搭接或翻边对接,a)搭接 b) 翻边对接,第3章 汽车车身结构分析与设计,（2）应合理设计纵、横梁交错处接头的形式和连接方式，减小应力集中。在底架纵、横梁交叉点，横梁与立柱的连接点，窗框与门框的四个角等处都会产生应力集中。如在纵、横梁交接处应以翼缘连接，或用角板等各种连接方式，以
18、扩大连接面积来减小应力集中 。,（3）接头处的焊缝长短和布置、铆钉数量和布置应尽量合理。若过分加强接头，则会因接头处的刚度太大导致在接头边缘的被加强梁上产生应力集中。 （4）被焊接的两块板料厚度的比值不应大于3，否则薄板容易被击穿。,第3章 汽车车身结构分析与设计,4.车身产品分块 分块是将车身壳体分成若干便于冲压和焊装的零部件、组合件、分总成和总成。合理的分块不仅有利于形成良好的装配质量，并可有效地简化和优化制造工艺。 1）结构分离面将白车身总成分解为若干个分总成，相邻两个分总成的结合面称为分离面。分离面可分为两类： （1）设计分离面根据使用和构造上的特点，可将车身分为单独进行装配的分总成，
19、如车身本体、发动机罩、行李箱盖、车门等，这些分总成之间的结合面，称为设计分离面。设计分离面一般采用可拆卸的连接，如铰链连接，以便在使用和维修过程中迅速拆卸和重新安装，而不损坏整体结构。,第3章 汽车车身结构分析与设计,（2）工艺分离面在生产制造过程中，为了适应制造装配的工艺要求，需要进一步将上级分总成分解为下一级分总成，甚至小组件，进行单独装配焊接，这些下一级分总成或组件之间的结合面，称为工艺分离面。如车身本体总成分解为前围、后围、地板、左/右侧围、顶盖六大分总成，这六大分总成分别平行进行单独焊装，而后总装在一起进行焊接，这些分总成之间的结合面就是工艺分离面。工艺分离面一般采用不可拆卸的连接方
20、法，如焊接、铆接等。它们最终构成一个统一的刚性整体。,第3章 汽车车身结构分析与设计,2）装配焊接方法根据工艺分离面的划分情况，可将车身装配焊接方法分为两类： （1）集中装配焊接法将车身产品的装配焊接工作集中在较少的工位上，使用较少的工装夹具来完成焊装工作，称为集中装配焊接法。 （2）分散装配焊接法将车身产品的装配焊接工作，分散在较多的工位和工装夹具上来完成，称为分散装配焊接法。分散的依据是工艺分离面的确定。在车身制造中，要根据生产纲领、工厂的设备情况和技术水平，合理地划分组合件和分总成进行装配焊接。从焊接角度来讲，分散装配焊接可以把一些需要全位置操作的工序改变为在正常位置的操作，使焊点尽量处
21、于有利于焊接的位置，可尽量避免立焊、仰焊、横焊，这样有利于提高装配焊接质量，改善劳动条件，也提高了劳动生产率。而且容易控制和减少焊接应力和焊接变形。例如顶盖、侧围及前、后围在整车总成焊装中分别为仰焊和立焊，而在分总成焊装中可变成俯焊。,第3章 汽车车身结构分析与设计,5.轿车车身的整体结构设计轿车车身结构设计首先应以结构轻量化为准则，力求做到强度分配在车身整体上的合理性。为此，必须首先确定车身的主要载荷形式，其次了解载荷传递方式，进而选择合理的计算方法。根据汽车的实际使用特点，一般将弯曲、扭转和碰撞作为设计时车身所受的三种典型载荷工况。由于轿车车身在整体上可以看作是一个由薄壁梁和薄板组成的框架
22、结构，当假设作用力均作用在结构的节点上，且左右对称分布时，经过对节点受力作适当简化后，可建立车身承受弯曲载荷和扭转载荷的力学模型。利用该模型，采用一般的力学方法即可计算获得车身整体的载荷分布及变形图。若计算发现局部存在过大变形或过大载荷，应适当改变该处梁的断面形式，即通过改变断面系数来调整变形量和应力的大小。,第3章 汽车车身结构分析与设计,碰撞载荷是汽车车身在使用过程中遇到的极端载荷情况。为了有效地保护乘员安全，车身结构在整车上应符合两端软中间硬的原则，以保证纵向碰撞发生时，车身前部或后部吸收80以上的碰撞能量。为此，可以通过合理分配力流和增加局部吸收碰撞能量的能力达到此目的。由于纵向碰撞发
23、生时，能量的70需由车身纵梁吸收，因此纵梁的作用尤为重要。 碰撞时可依靠局部变形吸收能量，从而减少中部乘员舱变形的可能性。局部变形可依靠梁的局部弯曲或局部发生皱折来实现。利用现代技术在中空管状梁内施以填充材料，可大大提高其吸收能量的能力。设计中，一般应在车身前部和后部预留5080cm的空间供变形用。此外，因碰撞能量的30要靠轮罩吸收，故需充分注意轮罩与地板和纵梁的联接。如图所示为轿车车身安全结构透视图。,第3章 汽车车身结构分析与设计,3.2 车身结构强度与刚度分析,车身作为一个受力结构，必须有足够的强度以保证其疲劳寿命，足够的刚度以保证其装配和使用的要求，同时应用合理的动态特性控制振动与噪声
24、，还应该有足够的抗冲击强度保证撞车时乘员的安全。现代轿车车身结构设计在满足功能要求的前提下，以结构轻量化为准则，力求做到强度分配在车身整体上的合理性。汽车分析设计的关键是确定载荷，首先确定主要载荷形式，其次了解载荷传递方式，进而选择合理的设计分析方法 。有限元方法能够有效地满足上述车身设计的要求。在进行车身结构设计时，通过有限元分析，观察白车身及其结构件在各种工况下的变形，得到车身的强度、刚度、振动频率等各种力学性能。将有限元分析的结果反馈车身设计环节，修改设计不合理的参数，经过重复的优化，提高车身设计的质量，使得产品在设计阶段就可保证满足使用要求。从而缩短设计试验周期，节省大量的试验和生产费
25、用，它是提高车身可靠性既经济又适用的方法之一。,第3章 汽车车身结构分析与设计,（一）车身承受的主要载荷汽车所受载荷可分为静载荷和动载荷两种，静载荷主要包括汽车悬挂着的自身载荷和车身有效载荷 。 所有这些重力都按集中载荷（或均布载荷）分布在车身、车架的适当位置（i=1,2）上，即 动载荷是指汽车在行驶过程中数值和方向都随时间变化的载荷，主要包括： 1）汽车启动、制动时产生的冲击力； 2）路面不平对汽车的冲击力和簧载质量振动所产生的垂直动载荷； 3）空气动力以及汽车转向时的侧向力等。,第3章 汽车车身结构分析与设计,承载式车身结构主要承受的动载荷： 1）由乘员、货物和车身自重带来的弯曲载荷； 2
26、）在不同路面上行驶时经轮胎、悬架传至车架上的扭转载荷； 3）加速或减速时沿车身前后方向的惯性载荷； 4）转弯时沿行驶轨迹法线方向的惯性离心载荷； 5）当汽车受到来自各方碰撞时的冲击载荷等。 6）高速行驶时车身及外附件受到的空气阻力，由路面摩擦阻力经轮胎、车 轴、悬架传至车架的载荷。 7）运动中不可避免地由发动机和底盘系统传来的振动载荷； 8）开/关门时会产生不同程度的冲击载荷等。,第3章 汽车车身结构分析与设计,在车身结构分析中，上述载荷大部分为动载荷，其大小随时间变化。概念设计阶段可以先采用静态分析，再乘以适当的动载荷系数和安全系数，进行结构的等效动态设计；详细设计阶段则需要对结构大变形或振
27、动响应进行直接的动态分析。近年来，随着大型计算机的出现，利用有限元法对车身结构进行分析的解析法已经普及，现已能精确计算车身的强度及弯曲和扭转刚度，从而可以在车身结构设计阶段就能得出车身结构的性能数据，为使车身设计更合理化创造了条件。以轿车为例，白车身在整体上可看作一个由薄壁梁和薄板组成的框架结构。假设载荷均作用在车身结构的节点上，且左右对称分布，经过对节点受力作适当简化后，可建立车身承受弯曲载荷和扭转载荷的力学模型。利用该模型，采用一般的力学方法即可获得车身整体的载荷分布和变形图。若发现局部存在过大变形或过大载荷，应适当改变该处梁的截面形式，即通过改变截面系数来调整变形量和应力大小。,第3章
28、汽车车身结构分析与设计,（二）车身主要失效形式 车身失效形式主要表现为静强度失效、疲劳强度失效及刚度失效等 。 静强度失效是指静载荷过大，在危险断面产生超过屈服极限或强度极限的应力导致结构变形过大或断裂。 疲劳强度失效即疲劳破坏，是由于动载荷长期作用，在局部形成高应力区，由于交变应力的作用形成微裂纹，进而扩展成宏观裂纹，导致疲劳断裂。 刚度失效一般表现为车身或车门变形过大，影响汽车的使用性能及振动噪声性能等。 了解汽车载荷大小、分布情况以及作用力的性质是分析汽车零部件失效的关键。,第3章 汽车车身结构分析与设计,（三）车身结构强度 1.定义 车身强度是汽车车身结构在外力或内应力的作用下抵抗车身
29、局部变形或疲劳失效的能力。对于不同结构与载荷类型，强度的含义也不同：对于承载拉伸（压缩）载荷的杆（柱）结构，所能承受的最大拉（压）应力即为杆（柱）上极限拉伸（压缩）强度；对于承受弯曲载荷的梁结构，所能承受的最大弯曲应力即为梁的极限弯曲强度；对于承受扭转载荷的轴结构，所能承受的最大扭转应力即为梁的极限扭转强度。车身结构在静载荷作用下的上述强度为静强度 。汽车在行驶过程中，由于路面不平整及路面使用中造成的缺陷等因素的影响，车身结构通常会受到随时间或频率变化的载荷即交变载荷作用，此时上述强度为动强度，也称为疲劳强度。具有各向同性、均质材料、简单几何形状的结构的各点处强度可用材料力学计算，对复杂结构目
30、前主要采用有限元方法计算。,第3章 汽车车身结构分析与设计,2.车身强度设计准则 在指定载荷(如汽车某一轮或几轮同时过凸台或凹坑时弯扭联合载荷)下，车身最大应力不超过许用值。 3.白车身强度设计 （1）白车身静强度常用设计方法与步骤 ： 1）建立车身数字模型 利用CAD软件（如CATIA、Pro/E等）建立白车身数字模型。如图所示是用CATIA软件建立的车身数字模型。,2）利用CATIA、Pro/E等软件与有限元分析软件ANSYS之间的数据传输，来实现CAD与CAE软件的无缝连接 在不影响计算结果的前提下，对已经建立的车身数字模型可以在CAD软件中做适当简化处理，主要为以后网格划分方便，减少计
31、算机计算时间。,第3章 汽车车身结构分析与设计,3）建立车身有限元分析模型 对导入后的车身数据在有限元软件中进行处理，包括材料属性的定义、单元类型的选取、焊点的处理等。最终对其划分网格，确定车身在不同工况下的边界条件，根据各工况车身的受力情况对车身模型施加约束及载荷等，建立的有限元模型如图所示。,第3章 汽车车身结构分析与设计,4）对车身不同工况下的静强度进行仿真分析 对车身强度常用的仿真软件如MSC Patran/Nastran，可以对车身不同工况下（如弯曲、扭转、碰撞等工况）进行静强度的仿真分析，得出不同工况下白车身结构的应力分布图。通过分析应力分布图，可以得到不同工况下白车身结构的应力和
32、应变值，并能够准确判断应力大小区域。 5）车身结构优化设计车身轻量化设计是当前车身结构优化的重要研究课题。在几种不同工况下，保证车身应力分布均匀，且最大应力不超过许用应力的前提下，对车身进行优化设计，从而降低车身重量，得出车身整体优化设计方案。,第3章 汽车车身结构分析与设计,（2）车身结构件强度分析 车身结构件是车身结构的主要承载构件，其布置应使车身构成一个连续完整的受力系统与合理的载荷路径，结构设计决定了载荷路径。车身结构件的材料、截面形状、受力方向、力的传递、力矩的作用位置等将会直接影响车身结构的强度和刚度等 。,第3章 汽车车身结构分析与设计,【案例】图为东风标致307车身结构，它采用
33、承载式多级吸能车身，前、后纵梁、A门柱、B门柱、C门柱、车门门槛均采用高强度的双面镀锌钢板，关键区防撞度达1600MPa。由于A门柱不但要将来自悬架的垂直力和前方纵向碰撞力传向车顶和门槛梁，且在侧面碰撞时，还将与B、C门柱一起构成抵抗侧向力的主要屏障。前后四个车门的内衬里均设置了三根纵向的防撞梁，防撞梁的强度和尺寸经过计算机系统优化设计，尤其是中间的W形高强度防撞护板是经过系统优化设计和严格碰撞检验，具有重量轻、强度高的特性，整个车身满足全面化的安全结构。,第3章 汽车车身结构分析与设计,实际上，白车身强度的判别标准，需要根据各工况下应力值大小、各工况发生的概率、零部件的材料性能、零部件的表面
34、质量以及相似车型、相似部位的试验结果等因素来综合判断。 （3）车身疲劳强度设计 疲劳极限是指材料或构件可以承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力 。 疲劳与断裂是引起工程结构和构件失效最主要的原因，也是导致汽车车身承载结构早期破坏的主要原因。引起疲劳失效的循环载荷的最大值，往往远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷。,第3章 汽车车身结构分析与设计,车身疲劳强度主要分为：车身钣金件疲劳强度，主要是指车身钣金件的耐久性；其他部件安装位置的安装强度，如门锁安装位置、车门铰链安装位置等。,疲劳寿命预测仿真流程图,第3章 汽车车身结构分析与设计,（四）车身结构刚度1.定义刚度是结构抵抗变形
35、的能力，即引起单位变形时所需要的力。现代汽车车身结构基本上都是采用薄钢板，通过焊接、铆接、粘接等工艺连接而成。其大小不仅与材料本身的性质（弹性模量）、构件的截面形状（开口/闭口截面）、构件截面的弯曲惯性矩、扭转惯性矩有关，而且与连接方式（焊接、铆接和粘接）、接头设计及板料厚度有关。 车身刚度包括静刚度和动刚度，其中车身静刚度又分为整体刚度和局部刚度，车身整体刚度主要是指车身的弯曲刚度和扭转刚度，主要取决于汽车部件的布置和车身结构刚度设计。汽车在行驶过程中既受到弯曲载荷，又受到扭转载荷，所以白车身具有足够的弯曲及扭转静刚度是最基本的要求。,第3章 汽车车身结构分析与设计,2. 车身刚度设计准则及
36、刚度对汽车性能的影响 车身刚度设计准则是在指定载荷下（如汽车满载时垂直弯曲载荷），车身最大变形应不超过许用值。 1）刚度对车身结构功能的影响 2）刚度对车身结构安全性的影响 3）刚度对NVH性能的影响 3. 车身整体刚度设计方法 1）构造车身基本结构并建立车身结构CAD模型 在概念设计阶段，选择当前有竞争力的参考车型，测试其参数，并考虑汽车总体布置和造型要求以及材料、工艺等先进技术的应用。在数据库支持下，初步建立车身结构拓扑模型和几何尺寸CAD模型。 2）汽车刚度研究 分析整车刚度与车身刚度的匹配，分配各子系统刚度指标 。,第3章 汽车车身结构分析与设计,3）初步构造车身结构并建立简化模型 为
37、了分析结构刚度，根据车身结构的CAD模型建立有限元分析模型（即CAE模型）。概念设计时，要建立设计参数少，且能代表车身结构性能的简化模型，基于性质的参数化模型PBM是很好的简化模型。 4）结构分析并计算。包括：静态扭转刚度和弯曲刚度。计算车身一阶弯曲和扭转模态频率。通过灵敏度分析和应变能分布图，进行各部件刚度贡献分析，在此基础上进行平衡，再布置构件或调整部件的基本尺寸。 5）车身刚度优化设计。通过结构系统优化计算，获得最小质量下的位移、应力和模态频率。为了满足目标刚度要求，需要多次反复修改结构。车身结构设计阶段是对结构不断优化的过程。 6）建立细化模型，进行详细的结构设计并验证性能。 车身刚度
38、设计是满足车身结构动力学要求的基础。良好的车身整体刚度，能防止结构在载荷作用下产生较大的变形，以避免各部件产生较大的相对位移和引发较大的噪声，尤其是良好的扭转刚度，也是汽车操纵性所要求的。,第3章 汽车车身结构分析与设计,3.3 车身结构的动力学性能设计,（一）车身振动特性 车身是由许多薄壁结构件组成的多自由度弹性系统，在外界激励作用下将产生变形，引起系统振动。当外界激振频率与系统固有频率接近或成倍数关系时，将发生共振。 对于多自由度系统，它的自然状态是指整个系统在运动过程中的某一位移形状。多自由度系统不只有一种位移形状，而是具有与自由度数相等数量的位移形状；这些位移形状称为系统的固有振型。
39、系统的振动特性可用固有频率和固有振型来表示。无阻尼自由振动系统的特性分析称为模态分析。 车身的振动特性分析是在有限元法和线性振动理论的基础上进行的。,第3章 汽车车身结构分析与设计,1.车身整体振动模态 无阻尼线性系统的一般运动都可以表达为各阶固有振型的线性组合。对应于较低频率的固有阵型（低阶振型）对结构的动力影响大于高阶振型，即低阶成分的能量较大。因此，对于一般车身结构，在模态分析时只求低阶的振动频率和振型。 某些大型轿车的非承载式车身结构，最低阶的振型有可能是低于20Hz的扭转振动；而整体扭转刚度较大的车身结构，最低阶阵型有可能是车身的垂直弯曲振型。图为车身一阶弯曲阵型（有两个节点位移为零
40、的点，频率为2040Hz）及二阶弯曲振型（有三个节点，频率为3050Hz）。对于承载式车身，一般要求一阶频率大于3040Hz。,车身的弯曲阵型 a)一阶振动 b)二阶振动,第3章 汽车车身结构分析与设计,第3章 汽车车身结构分析与设计,2. 部件模态分析,【实例分析】 分别从三种车型的有限元模型上切割下前车身,前车身有限元模型 a)原车型 b）竞争车型 c）新车型,第3章 汽车车身结构分析与设计,前车身计算结果比较,新方案设计修改结果,第3章 汽车车身结构分析与设计,3. 车身板壳零件的局部振动模态 刚度差的大型板壳零件（如轿车发动机罩、地板等）容易在振源激励(如发动机振动、汽车行驶时传动系的
41、共振及噪声波的冲击等)的作用下，引起强迫振动。 当激振频率接近车身内外板的固有振动频率时，将发生板壳共振。车身大型板壳零件的共振频率通常在40300Hz或更高范围。路面、发动机等激励源会引起车身壁板振动，并向车内辐射噪声，这是车内噪声产生的重要原因。如轿车地板的共振频率在5060Hz，共振时会发出敲鼓声。,第3章 汽车车身结构分析与设计,（二）车身结构动力学性能设计 1.主观评价与客观测量车身刚度和模态都不是最终的评价指标，汽车的性能指标应体现在汽车实际使用性能的最终综合水平上。因此，在设计的最初阶段，应由专家对具有竞争力的同类车型进行实际考察，并在相同的路面上，实际驾驶几种竞争车型，选择如转
42、向盘、座椅和后视镜等驾驶员界面特征点，分别对其振动特性做出主观的等级评价。上述竞争车型以相同的车速行驶在与主观评价时同样的路面上，对每种车型进行道路响应测量。如选择3种竞争轿车，均以72kmh车速行驶时，分别测量在050Hz范围内的转向柱振动加速度响应。由实验数据，得出响应最低的车型，也就是主观感觉最好的车型，从而证实了主观评价的正确性。由于车身结构模态频率是影响汽车结构动力学性能和乘坐感觉的关键指标，所以需要测出每种竞争车型的一阶振动模态频率。一般来说，响应最低的车型一阶模态频率最高，这也是该车主观感觉最好的主要原因。,第3章 汽车车身结构分析与设计,2.确定性能指标根据测试同类竞争车型所获
43、得的指标，为新车设计提供了一个清晰的动力学性能水平。以这个动力学性能水平为基础，同时考虑汽车的其他性能要求，如碰撞安全性要求、可靠性、耐久性要求、布置要求、重量要求等，就可确定所希望的各项性能指标，作为结构设计的指南。 3.性能综合综合考虑上述各种不同的要求，完成一个设计的过程称为综合。如上所述，通过与竞争车型测试和性能指标的分析比较，提出对新车型的噪声、振动特性和结构刚度的要求，并将这些要求与其他竞争要求紧密结合来定义一个设计，这是一项高水平的工作。 4.结构动力学设计 （1）模态研究与控制 （2）建立系统模型 （3）动力学计算分析 （4）性能平衡 （5）结构优化 5.结构设计结构设计分三个
44、阶段，即结构方案设计、结构研究和结构完善。这三个阶段各种方案的共同特点都是围绕汽车一阶弯曲和一阶扭转模态频率进行研究的。,第3章 汽车车身结构分析与设计,3.4 车身强度与刚度试验,车身强度、刚度试验的目的，一是了解和验证汽车车身是否具有在各种使用条件、环境条件下，都能充分发挥其所需性能的强度和刚度；二是指导车身结构设计，即以取得的试验数据为基础，分析并找出车身结构上强度、刚度不充分的部位，以及在轻量化的要求下，将强度过高部位的强度水平适当降低，从而实现车身结构设计既轻量，又安全可靠。车身强度、刚度试验可分为静态试验和动态试验两类。 车身强度试验 ：车门强度试验、汽车座椅系统强度的试验 、汽车
45、安全带安装固定点的强度试验等 车身静刚度试验：车身扭转刚度试验和车身弯曲刚度试验。 车身动态试验 ：汽车疲劳强度室内台架试验 、汽车疲劳强度室外试验场试验(主要在海南试验场),第3章 汽车车身结构分析与设计,复习与练习题 一、名词解释1. 车身静强度和疲劳强度2. 车身静刚度3. 振动模态 二、简答题1. 试归纳车身结构的设计的要点和要求。2. 简述白车身静强度常用设计方法3. 简述车身刚度设计准则及刚度对车身的影响。4. 简述车身结构刚度设计方法。5. 简述结构动力学设计方法。 三、思考题轿车车身弯曲刚度和扭转刚度试验如何布置测试点?加载是应注意什么问题？ 四、讨论题以某轿车为例，说明其车身结构件和覆盖件，分析其结构特点和设计及工艺要求。,
