汽车车身结构与设计第六章

(一) 车身骨架刚度设计
车身特别是承载式车身几乎承载了轿车使用过程中 的所有载荷，车身的刚度特性具有举足轻重的作用。 车身刚度不合理，将直接影响车身的结构可靠性、 安全性、NVH性能等关键性能指标。
高刚度车身不仅有利于悬架的支持，使汽车系统正 常工作，而且有利于改进振动特性。
轿车车身刚度已成为车身行业内公认的一项重要指 标。通常认为车身结构有足够的刚度，也就具有了 足够的强度，扭转刚度和弯曲刚度应同时考虑，有 时还要考虑车身尾部弯曲刚度。
在前纵梁的后面，即底架总成的中部，其支撑结构主要 是门槛梁和与地板焊接在一起的横梁。
横梁布置的位置往往取决于座椅的布置，主要用于加强 左右门槛之间的联系，固定座椅和加强地板的中间通道， 并用于承受侧向碰撞力。
有利于提高地板的纵向抗弯能力，并便于地板下传动轴 和排气管等的布置。地板总成的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。
图中实线为无风窗玻璃时，点画线为有风窗玻璃时，水平虚线表示平均应变能。
应变能分析
从有限元分析软件显示的结构应变能图，可大致看出车身
结构中各点的相对应变，并可由构件的应变能与结构总应
变能之比来表示构件的“承载度”。车身扭转时的总应变
能为：
W
1 2
Tx
式中， 为对应Tx 的车身扭转角。
如果总应变能小，则说明车身刚度足够大，或材料没有被 充分利用，可以将比应变能小的构件取消或减薄板厚，以 便减轻重量。应变能大的区域是高负荷区，一般这里变形 也较大，因此对车身刚度影响较大，要考虑是否需要加强。 为了最大限度地发挥材料的效用，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。
车身前部敞开部分、散热器框架、中段乘坐室部分、 后部行李舱传力特性。
构件布置设计时，尤其要注意乘客室与前部敞开部 分相连接区域刚度的加强，如纵梁到门槛的扭矩盒、 前铰链柱上端的前指梁、斜梁或接头圆角的设计。 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。
车身结构载荷传递路径
4）在上述过程中，可利用CAE 方法同步进行车身结构性能的仿真与分析，包括 刚度分析、模态分析、耐撞性分析、NVH 分析及耐久性分析等。
第六章 车身结构设计
第一节 概述
一、车身结构拓扑设计
车身骨架结构的拓扑设计(Topology Design) 是指车 身结构中梁、柱等承载件的空间布置形式，是车 身概念设计中首先要完成的工作。
某轿车车身构件的比应变能
1—风窗上横梁 2—风窗下横梁 3—风窗横梁加强板 4—纵梁1 5—副车架 6—支撑板 7—前轮罩及与A 柱连接 板 8—仪表板横梁 9—落水桶 10—前围板横梁 11—前座椅横梁 12—带前围板的前地板 13—A 柱 14—B 柱 15—C 柱前板 16—C 柱后板 17—门槛 18—通道 19—后纵梁 20—后座椅横梁 21—稳定杆支座 22—后地板 23—D 柱与轮罩连接板24—后轮罩 25—后翼子板 26—后内板 27—上后横梁 28—下后横梁 29—车尾后封板 30—车顶框 31—车顶 32—风窗玻璃
车身结构的拓扑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，可以通过简 化模型的载荷计算分析进行判断，在这个阶段， 要研究结构拓扑模型和定义初始的几何尺寸参数, 而拓扑模型是研究构件几何参数(如构件截面、接 头参数和板料厚度等) 的基础。
车身和底架结构拓扑
车身结构载荷传递路径
车身结构由构件及其接头组成的车身骨架和板壳零 件共同组成，是承受载荷和传递载荷的基本系统, 其中骨架结构设计决定了载荷的传递路径。
某轿车各主要部件的刚度贡献率
白车身在整车中的刚度贡献率最大。如该车在扭转刚度中，白车身的刚度贡献 率达64%，而前悬架横梁、前风窗和后背门有超过10% 的贡献率，其他部件(指 仪表板、发动机盖、保险板、护板、座椅等) 贡献率很小, 为5%，而稳定杆由 于布置在前悬架前面，所以对整车的刚度贡献率为负值。
2）确定车身构件采取怎样的截面形式，如何构成这样的截面，及其与其他部件 的配合关系；构件密封或外形的要求和壳体上内外饰板或压条的固定方法以 及组成截面的各部分的制造方法及其装配方法等。
3） 建立数字式全尺寸模型，形成初步的零件表，进行方案重量的初步估算，研 究基本的装配方法和制造方法，包括研究材料的选用和车身结构总成如何划 分为分总成和零件，车身装配连接形式和装配顺序，确定定位参考系统和各 种工）功能所要求设计的，如门柱、窗柱、门槛、
风窗框上下横梁等； 2）加强用的，如车顶横梁、底板加强横梁、车
门防撞钢梁等； 3）为安装附件而设置的非承载件。如顶盖上为
安装顶窗而设置的框架等。 1）、2） 类是车身的主要承载件，应有足够
的刚度和强度，并构成一个连续完整的受力系 统。
第六章 车身结构设计
现在的车身结构设计已经由满足车身结构的基本功能要求为主的功能设计逐 步过渡到满足车身结构的各项性能要求(如刚度性能、安全性、舒适性、可靠 性与耐久性等性能) 为主的性能设计。主要内容包括：
1） 确定整个车身结构应由哪些主要载荷路径和次要载荷路径的构件组成、构件 的几何参数，以及如何布置和连接这些构件，使其成为一个连续的完整的受 力拓扑结构。
车身构件的应变能计算
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，结构 中的载荷路径合理与否，可以通过应变能 (Strain Energy) 的计算进行检验。
结构在载荷作用下发生变形，于是各部分 将储存一定的应变能(弹性势能)。结构的构 件储存应变能的多少是衡量它承担载荷多 少的标志，可以用比应变能(应变能/ 质量, 又称应变能密度) 来表示。
后纵梁与乘客室的连接，原则上与前纵梁相同，即将载 荷分流是有利的。
车身结构载荷传递路径
乘客室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，并焊装 上顶盖。
侧围在车身整体弯曲刚性中起重要作用。前围 板、后隔板分别与前、后风窗框相连，具有很 高的车身横向抗剪刚度。
对于阶梯背式车身，车尾的后隔板由上部后风 窗隔板和后座椅支承板组成，用于承受车身扭 转时的剪力。对于方背式或快背式，在扭转时 的剪力则主要由后部的框架来承受。