第四章 车身结构刚度和动力学性能设计

（二）车身刚度优化
• 通过优化计算和经验设计，直到模型的各个部分的性 质得到合理的匹配，满足总的刚度设计目标
优化后的模型各部分性质就是下一步车身详细设计的 指南
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 • 三、车身局部刚度
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
① 用上述方法对车身结构的5个接头进行优化
– 1-A柱到顶盖 – 2-B柱到顶盖 – 3-B柱到门槛 – 4-铰链柱到门槛 – 5-A柱到铰链柱） – 包括23个车身板零件
② 分析目标：低成本、满足接头目标刚度要求 ③ 计算接头关于板厚的灵敏度，并对灵敏度小的零件减 小板厚 ④ 由于减小了一些零件的板厚，成本节约8.77美元，而 接头刚度却有所提高
IV IV t0 t IV t0 t t
I P I H I V t t t
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
（二）车身刚度优化
K T 2 t t
• 防止结构在载荷作用下产生大的变形 • 利于汽车操纵性
•第一节 车身结构刚 度设计
车身整体刚度设计方法
（一）构造车身基本结构并建立概念设计模型
一、刚度测试和分析 （二）车身刚度优化 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
（二）车身刚度优化 3. 接头优化
④根据材料单价和重量，提出成本约束 ⑤基于工艺要求确定尺寸约束 ⑥对各接头进行刚度关于板厚的灵敏度分析和优化设计 ⑦迭代计算，得到可行解，输出新的接头总成本、重量和刚度
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
接头优化-实例
（一）振动模态分析
• 车身的振动特性分析
– 无阻尼自由振动方程：
M K 0
– 特征方程
K M M 0
– 特征方程的解
• 固有频率
0 1 2
• 固有振型
n
M 1 , M 2 , Mn
•第二节 车身结构的 动力学性能设计
一、车身振动特性 二、车身结构动力学性 能设计
• 车身局部刚度
– 指车身结构安装部位和服务部位的刚度
• 悬架、发动机、传动系的安装部位 • 拖钩、吊挂、装运、千斤顶作用部位 • 安全带固定器安装部位等
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
（一）车身支承部位刚度
– 该部位良好的局部刚度可防止载荷通过悬架、动 力总成安装点进入车身时发生大的变形 – 一般根据车身支承件的刚度决定车身结构支座区 域的目标刚度 – 在车身刚度设计时，必须对支座区域刚度进行有 限元分析
一、车身振动特性 二、车身结构动力学性 能设计
（一）振动模态分析
• 车身的振动特性分析 1．车身整体振动模态
– 轿车各部分的固有振动频率和激振频率的分布图
•第二节 车身结构的 动力学性能设计
一、车身振动特性 二、车身结构动力学性 能设计
（一）振动模态分析
• 车身的振动特性分析 1．车身整体振动模态
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
• 对标分析，确定车身的初步目标刚度指标 – 弯曲刚度和扭转刚度 – 模态频率要求
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
• 例：
– 前风窗对整车扭转刚度贡献达15%，对整车弯曲刚度 贡献为6%，加强A柱横截面和顶盖前横梁截面，以及 加强A柱上、下接头的刚度很有意义 – 地板的中间通道构件在实例中对整车弯曲刚度贡献 8%，对扭转刚度贡献7%。增加通道横向构件能使通 道更好地起到承载结构件的作用
（一）振动模态分析
• 车身的振动特性分析 1．车身整体振动模态
– 无阻尼线性系统振动：各阶固有振型的线性组合 – 低阶振型对构件的动力影响大于高阶振型
• 扭转或弯曲振型
一阶弯曲
• 两个节点 • 频率为20~40Hz
二阶弯曲
• 三个节点 • 频率为30~50Hz
•第二节 车身结构的 动力学性能设计
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
（二）板壳零件刚度
– 大型板壳零件的刚度不足，易引发板的振动，令 人感觉不舒适，造成部件疲劳损坏 – 零件刚度差会给生产、搬运等都带来困难 – 设计板壳零件尤其要注意提高零件的刚度
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
（一）构造车身基本结构并建立概念设计模型 • 车身基本结构
– 指主要用以传递载荷的车身结构
• 概念设计模型
– 参考竞争车型结构 – 考虑采用材料、工艺等先进技术 – 兼顾车辆总体布置和造型的要求
• 有限元概念分析模型
– 用以分析结构刚度 – 根据结构的CAD模型建立 – 例：PBM模型
•第一节 车身结构刚 度设计
– 应尽可能将孔位选在应力较小的部位，如截面 中性轴附近
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
（三）防止结构中的应力集中
3. 加强板的合理设计
– – 加强板太小，不足以将集中载荷通过加强板分散到 较大的面积上；加强板太大则会增加质量 加强板厚度比被加强件的板料厚，但厚度不宜相差 太悬殊
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
（三）防止结构中的应力集中
4. 车身支承部件（前、后轮罩）的设计
– 轮罩零件板厚分级
•第二节 车身结构的 动力学性能设计
一、车身振动特性 二、车身结构动力学性 能设计
（一）振动模态分析
• 无阻尼单自由度系统
– 在初始激励作用下，将以其固有频率在某种自然状态下 振动
（二）车身刚度优化 1.优化目标
– 车身刚度优化的目标是高刚度/轻重量 – 高刚度
• 静刚度指标 • 车身结构的一阶弯曲和一阶扭转模态频率
– 轻重量
• 应变能计算 • 组件的贡献分析
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
（二）车身刚度优化 2. 灵敏度和灵敏度分析
• 高刚度、轻重量的关键：结构动力学设计
• 与结构动力学相关的车身结构基础性能
– 车身静刚度 – 车身动刚度
来自百度文库
• 车身刚度最终影响汽车的目标性能
– NVH（Noise、Vibration、Harshness）特性 – 碰撞安全性 – 车身结构耐久性
车身结构刚度和动力学性能设计过程：
1）选定竞争车型，进行对标分析 2）对新设计提出具体目标要求 3）实施车身拓扑构造技术，选择结构方案 4）建立车身CAE模型 5）结构优化 6）试验验证 7）完善化 8）结论—产品设计的全面评估
• 多自由度系统
– 固有振型、固有频率
• 模态分析
– 无阻尼自由振动系统的特性分析
•第二节 车身结构的 动力学性能设计
一、车身振动特性 二、车身结构动力学性 能设计
（一）振动模态分析
• 车身振动特性分析
– 基于有限元法和线性振动理论 – 弹性系统的振动方程
•第二节 车身结构的 动力学性能设计
一、车身振动特性 二、车身结构动力学性 能设计
（二）板壳零件刚度
• 设计上的考虑
1. 板壳零件的刚度取决于零件的板厚及形状 2. 曲面和棱线造型、拉延成型时零件的冷作硬化 3. 在内部大型板件上冲压出加强筋
4. 5.
若不允许出现加强筋，可在零件上贴装加强板 可用沉孔来加强刚度
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
① 静态扭转刚度和弯曲刚度 ② 计算车身一阶弯曲和扭转模态频率 ③ 通过灵敏度分析和应变能分布图，进行各部件的贡献分析，在此 基础上进行平衡，再布置构件确定基本尺寸
5）优化计算 6）建立细化模型，详细结构设计并验证性能
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
车身刚度测量装置
• • a)测量弯曲刚度（左、右同向加载Fb） b)测量扭转刚度（左、右反向加载Fd）
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
• 车身整体刚度
– 指车身的弯曲刚度和扭转刚度 – 良好的整体刚度
四、白车身结构设计完成的总结
• 车身在外界激励作用下将产生变形，引起系统的振动
• 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
– – – – 使乘员感到不舒适 带来噪声 部件疲劳损坏 破坏车身表面的防护层和车身的密封性
• 汽车设计目标——高刚度、轻重量
– – – – 利于悬架的支持，使车辆系统正常工作 利于改进振动特性 节能 提高汽车动力性、经济性、操纵稳定性
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
• 车身刚度
– – – – 整体刚度：决定于部件布置和车身结构设计 局部刚度： 主要是安装部位、连接部位、大面积板壳件刚度 决定于局部车身结构断面形状和采用加强结构等
• 车身刚度设计是满足车身结构动力学要求的 基础，一般采用如下方法
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
（二）车身刚度优化
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 ①对标确定车身NVH性能水平，并初步分派各接头刚度指标 二、车身整体刚度设计 ②参考样车和积累的数据，进行接头初步构造和尺寸选择 三、车身局部刚度 ③建立接头刚度约束下的板厚优化模型
– 轿车各部分的固有振动频率和激振频率的分布图 ① 车身低阶模态频率大致在20~50Hz
• • 避免与底盘系统共振 注意提高车身整体的刚度和部件刚度
② 在节点处布置动力总成等的悬置点 ③ 车身装上内饰件后，扭转和弯曲频率最多可分别下降 15%和25%
•第二节 车身结构的 动力学性能设计
1. 2. 3. 刚度测试和分析 车身整体刚度设计 车身局部刚度
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
• 车身的刚度在整车刚度中占有很大成份 • 整车刚度和部件刚度的贡献的测量：
1）整车弯曲刚度 2）整车扭转刚度 3）每个部件的贡献
•第一节 车身结构刚 度设计
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
• 接头优化结果
•第一节 车身结构刚 度设计
• 车身整体刚度设计过程总结
1）对竞争车型测试参数； 一、刚度测试和分析 2）整车和车身刚度的匹配，并分派各子系统刚度指标； 二、车身整体刚度设计 3）初步构造结构，并建立系统简化分析模型； 三、车身局部刚度 4）结构计算研究，包括
（三）防止结构中的应力集中
1. 避免受力杆件截面的突变
• 在结构设计时要避免截面急剧变化，特别是要注 意加强板和接头设计时刚度的逐步变化
• 例：
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
（三）防止结构中的应力集中
2. 孔洞的设计
– 孔洞会产生应力集中 – 开一个大孔要比开数个小孔应力集中更严重
普通高等教育 “十一五”国家级规划教材
《汽车车身设计》
第四章 车身结构刚度和动力学 性能设计
提纲
第一节 车身结构刚度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
第二节 车身结构的动力学性能设计
一、车身振动特性 二、车身结构动力学性能设计
第三节 结构设计过程与性能实现
一、结构方案设计阶段 二、结构研究阶段 三、结构完善阶段
– 构件截面特性和接头刚度对材料几何尺寸变化的 灵敏度 – 结构整体刚度对截面特性、接头刚度或板厚变化 的灵敏度 – 选择较灵敏的变量或部位进行修改，引导结构优 化的方向
•第一节 车身结构刚 度设计
一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度
（二）车身刚度优化
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