汽车车身设计-第三章

普通高等教育“十一五”国家级规划教材《汽车车身设计》第三章车身结构拓扑模型与力学模型提纲第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷第二节车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求白车身（BIW‐Body In White）•概念：指已经装焊好的白皮车身；主要包括车身结构焊接总成和车身闭合件（Closure，车门、发动机罩、行李箱盖等）焊接总成，不包括车身附属设备和装饰件白车身的设计要求•车身结构的性能要求•理想的碰撞特性•轻量化和低成本•遵循总布置尺寸约束•基于平台的系列设计•满足车身制造要求•承载系统–包括车身和车架–按承载型式不同分类•非承载式•承载式•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷（一）非承载式车身•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷特点•属于带有独立完整车架的车身结构。

动力总成、悬架和转向系等均安装于车架；车身通过橡胶垫或悬置用螺栓与车架连接•载荷主要由车架承担，车身承载的多少只是相对车架而言•多用于有较宽松空间的高级轿车上优点•车身与车架弹性连接，乘坐舒适性好；便于车身的改型•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷典型结构‐车架•多由闭式箱形梁组成，板厚2mm ~3mm，具有抗弯曲刚度和较高的抗扭刚度•正碰时，能量首先由车架承受；通过有目的的由前向后以车身横断面分级，将碰撞能量可以传递到指定区域•侧碰时，撞点位置往往在门槛梁的上部（车门和门柱），只有一部分能量由车身门槛传到车架•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷（二）承载式车身•将车架的作用融入车身的结构，又称整体式车身结构，它承担承载系统的全部功能，发动机和行走系的支点都在车身上•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷（二）承载式车身•通常将发动机和行走系通过副车架与车身底架连接–副车架与车身底架纵梁之间设有橡胶垫，以减弱发动机和悬架的振动对车身的影响–将动力总成和悬架等与副车架形成一个组装部件，对生产和使用都带来方便•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷（二）承载式车身•优点–整体刚度大，重量轻，整车高度低–生产效率高–是现在轿车中常见的结构•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷（一）在各种典型路况下车身、车架所受的载荷–整车和车身参考坐标系•取通过悬挂质量系统质心的坐标系x y z•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷（一）在各种典型路况下车身、车架所受的载荷–汽车行驶时作用在车身上力•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷（一）在各种典型路况下车身、车架所受的载荷–动荷系数•决定因素–道路条件–汽车行驶状况–汽车的结构参数•动荷系数难以用数学分析法确定，常取一些理论研究与试验修正相结合的半经验数值•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷（一）在各种典型路况下车身、车架所受的载荷–典型路况•路段Ⅰ：产生对称于汽车纵向对称面的垂直力F zs •路段Ⅱ：产生的加速度与速度平方成正比，与曲率半径成反比•路段Ⅲ：使左右车轮垂直加速度不同•路段Ⅳ：将产生垂直加速度和纵向力F x•路段Ⅴ：产生侧向加速度和侧向力F y•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷1．影响车身强度的基本载荷—对称垂直载荷•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷2．影响车身强度的基本载荷—非对称垂直载荷–承载系统上作用非对称于汽车纵轴线的垂直载荷–载荷可分解为对称垂直作用力F zn 和车身绕x 轴的转矩T x•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷（二）随机载荷——疲劳载荷–汽车在道路上行驶时，车身和车架承受着悬架传来的路面随机载荷–随机载荷引起构件反复交变的应力，会导致汽车结构疲劳损坏–影响因素：路面情况、汽车使用条件和结构参数–随机载荷的描述——统计•道路试验方法•数字分析方法•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷（三）标准载荷——G 载荷–汽车公司根据各地区使用条件制定的–用途•对整备车身结构悬置点位置施加约束，完成标准工况的载荷分析，模拟车身具体的变形，分析车身载荷的分布和高应力区•一般用于已建立车身拓扑模型和几何参数模型的车身设计阶段，通过计算可得指导性的应力信息–三种标准G 载荷工况•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷（三）标准载荷——G 载荷–标准载荷分析的主要缺点•不能预测疲劳寿命•只有在构造详细结构后，方可进行疲劳寿命预测•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷（四）作用在车身上的其它非破坏性的作用力–轻微冲撞力–发动机和传动系传来的力–牵引力和拖拽力–千斤顶和悬吊作用力–以及安全带固定点的作用力等非破坏性作用力•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷（五）碰撞载荷•第一节作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷•车身结构布置受整车布置和造型的制约•白车身结构–由构件及其接头和板壳零件共同组成–是承受载荷和传递载荷的基本系统–结构设计决定了载荷路径•一般钢结构车身构件–由成形钢板制件焊接组合–截面为闭口或开口的薄壁杆件–在车身中起支承和加强的作用•第二节车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求•车身下部–前、后纵梁–底架各横梁–地板及其两侧边梁与侧围外板组成的门槛–地板中间通道–前围板、后隔板–悬架支座及轮罩等•车身上部–侧围的A 、B 、C 柱–顶盖及其边梁–风窗上、下横梁等•第二节车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求•车身分成前车身，中、后部车身–前部车身•车身前部敞开部分承受比较大的集中力，主要由底架的前纵梁支承，并传至整个车身前部结构•前车身的导风板及散热器框架等板壳零件也是车身结构的承力构件•受到高速撞击时车头首当其冲，车身设计必须使其能有效地吸收冲击能量–车身中段•乘坐室部分主要承受分散在地板上的重力–车身后部•行李箱承受油箱、备胎和行李等重力，后纵梁承受后悬架支承力•第二节车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求–乘坐车室与前部敝开部分连接区域刚度的加强•纵梁到门槛的扭矩盒•前铰链柱上端向前指的短枪梁•斜梁或接头圆角的设计–通过前纵梁力流的分散–由前纵梁上部平面悬架支座附近，往后下方分叉斜伸出两根短梁，通到地板中间通道横梁和A 柱的铰链柱段•第二节车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求–车身中部•底架总成的中部由地板和前围板组成，其支撑结构是门槛梁和与地板焊接在一起的帽形横梁。

帽形横梁主要用于加强左右门槛之间的联系，并承受侧向碰撞力•地板的中间通道有利于提高地板的抗弯能力•上部的框架结构由侧围总成、前/后风窗框、前围板/后隔板及车顶梁构成•侧围在车身整体弯曲刚性中起重要作用•前围板、后隔板具有很高的车身横向抗剪刚度•第二节车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求–后部车身•对于斜背式或快背式，扭转时的剪力则主要由后部框架承受•地板总成后部零件承担着后悬架传来的力，这些力主要由后纵梁和后地板分担•后纵梁与乘坐室的连接，应该有利于载荷分流•第二节车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求•车身结构构件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•第二节车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求•车身结构的拓扑布置设计是概念设计中要首先完成的工作•车身拓扑模型是指车身结构中，梁、柱等承载件空间布置型式•第二节车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求•白车身结构的布置空间受车辆总体外形和内部布置要求的约束•构件的布置是否合理，可通过简化模型的载荷计算分析判断•借助拓扑模型研究和定义初始的几何尺寸参数，如构件截面、接头参数和板料厚度等•初步优化后的拓扑几何方案输入CAD 系统进行详细的结构设计•第二节车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求•构件储藏应变能多少是衡量它承担载荷多少的标志，可用比应变能表示–总应变能小，说明车身刚度足够大，或材料没有充分利用–可将比应变能小的构件取消或减薄板厚，以便减轻重量。

应变能大的区域对车身刚度影响较大，要考虑是否需要加强–应该尽可能使材料在结构中的分布与各处的应变能成比例，使比应变能均匀化•第二节车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求•碰撞安全法规–正碰撞–侧碰撞–后碰撞等•第二节车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求•车身概念设计初期，车身被简化为空间框架结构，用有限元法求得结构在外载荷作用下各个构件的内力•用梁单元来模拟梁、柱•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求杆长一定情况下，梁单元的刚度主要决定于梁的材料和截面性质•实例‐车身框架结构应力计算–用一个简化的框架结构表示车身结构（对称结构）•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求•实例‐车身框架结构应力计算–工况1‐载荷完全对称于车身的纵轴•车身框架是个近似平面弯曲问题•每个构件节点只有三个自由度•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求•实例‐车身框架结构应力计算–工况2‐框架结构承受扭转工况•结构呈现反对称变形•车身框架是个空间扭转问题•每个构件节点有六个节点位移分量和相应的六个节点力分量•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求•车身杆件多由薄板成型件组成•杆件截面–开口–闭口•截面形状和尺寸对截面特性有很大影响–除了材料性质外，主要是弯曲惯性矩和扭转惯性矩等截面•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求•复杂截面的特性计算公式•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求•截面特性比较•材料面积A 和壁厚t 不变情况下，闭口截面的抗弯性能稍次于开口截面，但闭口截面的扭转惯性矩远大于开口截面•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求•截面特性–薄板围成的闭口截面，中线周长和材料厚度一定，抗扭惯性矩与A 平方成正比；截面形状对力学特性无独立意义，所围面积大小则很重要•圆形截面对抗扭最有利•矩形截面中，正方形抗扭能力最高，两边之比h/b ＞2时，扭转惯性矩明显下降•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求•例‐某车侧面主要截面位置及部分截面特性计算结果•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求•接头：车身结构中2个以上承载构件交叉连接的部位a)A 柱至顶盖梁，b)B 柱至顶盖梁，c)B 柱到门槛，d)前铰链柱到门槛，e)A 柱到前铰链柱和短梁，f)C 柱到顶盖，g)门槛到后纵梁，h)上散热器支架到短梁•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求1．研究接头的意义•白车身结构总成=承载构件+接头+板壳•构件的截面性质，接头的刚度和板壳的形状和板厚都影响车身的刚度，影响车身的振动、噪声和耐久性•研究表明：将接头视为刚性的计算结果使整车刚度提高50%以上，可见接头的柔性是不可忽略的•研究接头的意义–指导接头设计–为概念设计阶段建立车身简化模型提供支持•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求2．接头力学特性–接头的特性由设计参数表征–设计参数必须体现与设计变量的联系，且对车身性能影响明显，以便于建立简化的接头模型•如轮廓尺寸：腿长、角度、截面尺寸等•内部结构：焊点部局、零件数、内加强板的布置和设计，圆角半径等•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求•选择物理意义明确的接头刚度作为设计参数–接头各腿的扭转刚度（TOR ）–接头各腿的内/外刚度（I/O ）–接头各腿的前/后刚度（F/A）或上/下刚度（U/D ）•具体方向决定于每个接头局部坐标系的选取•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求3．接头刚度的模拟计算•接头刚度可以用分析法或测试技术获得•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求3．接头刚度的模拟计算1）接头计算模型–分为详细接头模型和简化的接头模型–详细接头模型•用板单元模拟•一般从用于NVH 分析的详细车身结构模型中抽取•这些接头模型用于接头参数化和引导设计•这种抽取局部模型方法虽方便，但计算结果往往与实验数据相比误差较大•第三节车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求3．接头刚度的模拟计算1）接头计算模型–简化接头模型•将详细接头模型简化成由梁单元和弹簧元模拟•用于概念设计时将构件用梁单元模拟的简化车身模型•参数少、模型简单、便于更改–也可用超单元技术来描述接头力学特性。