汽车车身结构与设计(第五章)

一、车身结构耐撞性能要求
尾碰抗撞性的具体设计要求包括： 1. 减小乘员舱变形量。 2. 减小碰撞中车身的减速度，减轻乘员颈部的鞭梢性 伤害。 3. 在碰撞中维持燃油箱的存放空间，减小对燃油箱、油 路的挤压。 车顶压溃一般发生在汽车滚翻工况。具体设计要求包括： 1. 提高车顶的支撑刚度，减小乘员舱的变形量。 2. 碰撞过程中车门不能自动打开；相反地，要保证碰撞 后可以不使用工具打开至少一侧车门。
四、车身刚度“方盒”模型
K (2wh) 2 1 ab ab ab ab ab ab + + + + + (Gt ) 面1 (Gt ) 面2 (Gt ) 面3 (Gt ) 面4 (Gt ) 面5 (Gt ) 面6
一、车身结构耐撞性能要求
低速碰撞主要关心的是避免汽车重要部件的损坏，
以减少因撞车带来的维修费用。因此，要求设置低速碰
撞吸能区，使低速碰撞汽车的动能主要通过低速碰撞吸 能区的变形被吸收，并尽量不使低速碰撞吸能区后部的 车身主要结构发生永久变形。
一、车身结构耐撞性能要求
当汽车撞击行人时，对行人的伤害一般包括一次碰撞 时由保险杠、前散热罩和发动机舱盖前端等产生的下肢伤 害，行人与发动机舱盖和风窗玻璃等二次碰撞产生的对行 人头部的伤害，以及受撞击后行人与路面三次碰撞产生的 伤害。针对前面两项伤害，在车身结构设计时应将相应部 位的刚度设计得软一些，以缓冲对人体的撞击。这些部位 通常包括前保险杠、前散热器罩、发动机舱盖前端、发动 机舱盖上表面以及风窗玻璃等。 另外，在行人保护措施中，防止车体凸出物对行人的 伤害也很重要，例如，在车标的设计中应避免有尖锐部分。
正碰抗撞性设计
侧碰抗撞性设计
尾碰抗撞性设计
抗车顶压溃设计
一、车身结构耐撞性能要求
对于正碰，汽车与正面刚性壁障碰撞产生的车身加速 度响应是设计流程中的主要考察指标。 正面碰撞主要考察车辆前端结构的吸能效果。 基于汽车碰撞中的乘员伤害机理，对于轿车车身正面 碰撞性提出了如下具体的设计要求： 1. 确保乘员生存空间，减小乘员舱变形、降低对乘员舱 的侵入。 2. 减小车身减速度。减速度越大，通过配合使用乘员约 束系统减轻乘员伤害的难度也就越大。 3. 碰撞过程中车门不能自动打开，相反地，要保证碰撞 后可以不借助工具打开至少一侧车门。
汽车车身结构与设计
北京理工大学机械与车辆学院
林程 教授 王文伟 副教授 陈潇凯 副教授 2016
第五章 车身结构力学性能分析计算 第一节 载荷工况条件
一、动载荷系数与安全系数
静态载荷 动态载荷 等效载荷
动载荷系数
安全系数
动态载荷＝静态载荷 * 动载荷系数 等效载荷＝静态载荷 * 动载荷系数 * 安全系数
FAVG Ma AVG a AVG FMAX MaMAX aMAX
二、正碰结构性能设计
利用碰撞效率系数，可以对不同 的碰撞加速度特性曲线反映出来的 乘员伤害水平高低进行定性评估。 碰撞效率系数越接近 1 ，也就是说 车辆质心加速度响应曲线越接近方 形，乘员头部伤害水平越低。在进 行汽车前部吸能区结构设计时，尽 量将碰撞过程的车辆质心加速度响 应曲线设计成方形。
四、车身刚度“方盒”模型
T F w T q 2h 2h 2wh
T2 T 4w 2 h 2
wh wh wL wL hL hL Gt 前 Gt 后 Gt 顶 Gt 底 Gt 侧1 Gt 侧2
四、车身刚度“方盒”模型
K
T

四、车身刚度“方盒”模型
e
Volume


2
dV
q t
V abt
2
G
ab e dV abt q 2G 2G 2(Gt ) Volume
2
2
四、车身刚度“方盒”模型
外部扭矩做的功 = 储存在面板内的所有剪应变能之和
T q 2 wh wh wL wL hL hL 2 2 Gt 前 Gt 后 Gt 顶 Gt 底 Gt 侧1 Gt 侧2
结构面SSS-2:
P 2 Rf
三、车身弯曲强度计算 ”SSS法”
结构面SSS-3:
P 3 P 1
结构面SSS-4:
d Q1 Rr h
P 1P 4 Q 1 Q4 0
三、车身弯曲强度计算 ”SSS法”
结构面SSS-5:
a P 1 Rf h
cd Rf F abcd
二、正碰结构性能设计
汽车车速一开始是逐渐减少， 在 t=30msec 时，车速开始呈陡 斜线下降，直至为零。 任意时刻 t 的斜率就是那一时 刻汽车质心的加速度。
碰撞过程中的车辆质心加（减）速度水平直接反映了 伤害程度的大小，如果质心的加速度水平较低也就意味着 对乘员的伤害量也将较小。因此，可以通过控制碰撞过程 中的加速度水平作为正碰抗撞性结构的一个关键设计要求。
K (2wh) 2
四、车身刚度“方盒”模型
a b
τ G γ
F τ at
γ
δ b
F b b (Gt) EFF S δ a a
四、车身刚度“方盒”模型
第五章 车身结构力学性能分析计算 第四节 车身结构耐撞性能分析计算
一、车身结构耐撞性能要求

1 1 K FRONT K REAR KBODY
TMAX KTOTAL
P B H MAX B PAXLE H MAX AXLE B 2 2KTOTAL
2
四、纵向载荷工况
制 动 工 况 载 荷 转 移
FF Mg ( LR h) / L
FR Mg ( LF h) / L
一、车身弯曲性能要求
将汽车的各零部件安装并固定在正确位置上
车身弯曲刚度与驾乘人员主观感受之间关系 车身弯曲刚度实验模型
二、 “简单结构面法”模型
简单结构面法（Simple Structural Surface, SSS法）
对汽车结构受到的载荷和应力进 行分析的简单模型有很多，最为有用 的分析方法是简单结构面法。简单结 构面法（SSS）可以用来对作用在车 身主要结构件上的载荷及其传递路径 进行分析。 简单结构面在自身所在平面内是 刚性的，在其它平面则是柔性的，即 在自己的平面内能够承受载荷（拉力、 压力、剪切、弯矩），但不承受与平 面正交或平面外的弯矩。
三、车身扭转强度计算 ”SSS法”
三、车身扭转强度计算 ”SSS法”
三、车身扭转强度计算 ”SSS法”
h1 L s LR Lb h2 LF 0
w 0 0 0 0 0 0
0 w 0 0 0 0
0 0 w 0 0 0
0 0 0 w 0 0 LF
(h0 h1 ) [ LF (h0 h2 ) L2 (h2 h1 )] / Lb
二、正碰结构性能设计
F0 Mx
F0 2 x t V0 t C 2 2M
t FINAL
MV0 F0
二、正碰结构性能设计
将碰撞载荷定义为随变形变化的非 线性曲线来进行单质点模型的扩展。 采用“载荷-变形特性曲线”所围成的 面积与前面所使用的定载荷曲线所围 成的面积相同，也就意味着这两种变 形模式所做的功是相等的。 用碰撞效率系数对这个非线性碰撞 载荷特性曲线进行描述：
一、车身结构耐撞性能要求
由于侧面碰撞中允许的乘员舱变形量很小，而对乘员舱 过大的侵入是造成乘员伤害的主要原因，所以侧面抗撞性 设计应以减小乘员舱侵入、维持乘员生存空间为重点。具 体设计要求包括：
1. 减小侧围结构对乘员舱的侵入量，防止侵入量过大时 对乘员的挤压伤害。 2. 减小侧围结构对乘员舱的侵入速度，特别是与乘员接 触时车门的速度，减轻对乘员的撞击力。 3. 碰撞过程中车门不能自动打开，相反地，要保证碰撞 后可以不使用工具打开至少一侧车门。
一、车身扭转性能要求
沟渠扭转实验（Twist Ditch）
恰好脱离地面
轮距
最大扭矩：
TMAX WAXLE
t 2
一、车身扭转性能要求
扭转强度要求
实现良好操纵稳定性的需求
实现良好NVH性能的需求
二、车身扭转性能模型
20世纪 70 年代，针对车身扭转特性分析的早期分析模型 将车身结构简化为梁框架结构，仿真计算得到的车身扭转刚 度值仅为实测值的10%－30%。 研究表明，面单元这一抗剪类型的单元是抵抗扭转载荷 的主要结构成分，当模型中引入面单元后，能够显著改善分 析模型的计算精度，可被用来对扭转载荷作用下的车身结构 特性进行合理解释。
0 Q1 T Q 0 0 2 0 0 Q3 0 0 0 Q4 0 w 0 Q5 T 0 w Q6 0 0 h1 Q7 0 0 0
四、纵向载荷工况
脉 冲 输 入 工 况
PH K DYN ( P V / tan )
推荐凸起高度：
H MAX
PAXLE B2 2KTOTAL
五、侧向载荷工况
轮 胎 侧 滑 轮 胎 侧 向 挤 压
Max. Force Mg
FLAT
MgB K 2h
六、组合载荷工况
第五章 车身结构力学性能分析计算 第二节 弯曲性能分析计算
二、垂向对称载荷工况
三、垂向非对称载荷工况
三、垂向非对称载荷工况
标准化的扭转工况凸块高度应满 足条件：①能够使得同一车轴上 的另一个车轮刚刚离开地面；② 其它车轮仍处于地面支撑状态。
T KTOTAL
H/B
T KTOTAL H B
PL
1 T PAXLE 2 B
1 KTOTAL
2
1 1 T T 2 2 2wh 1 T 2wh
2
ab 所有面 (Gt ) 第i面
来自百度文库
ab 所有面 (Gt ) 第i面
K
T

(2wh) 2
1 ab 所有面 (Gt ) 第i面
二、 “简单结构面法”模型
三、车身弯曲强度计算 ”SSS法”
三、车身弯曲强度计算 ”SSS法”
Rf
cd F abcd
Rr
ab F abcd
注：后部的载荷没有标示出来。
三、车身弯曲强度计算 ”SSS法”
结构面SSS-1:
P 1 h Rf a 0
a P 1 Rf h
1 1 1 1 1 1 1 + + + + + Gt Gt Gt Gt Gt Gt ab 面1 ab 面2 ab 面3 ab 面4 ab 面5 ab 面6
d Q1 Rr h
ab Rr F abcd
四、车身弯曲刚度 ”三组分”模型
相对而言，车身前部及后部刚度较强
作为刚体处理
四、车身弯曲刚度 ”三组分”模型
四、车身弯曲刚度 ”三组分”模型
四、车身弯曲刚度 ”三组分”模型
第五章 车身结构力学性能分析计算 第三节 扭转性能分析计算
二、正碰结构性能设计
刚开始碰撞时，由于前保险 杠遭到破坏，产生的载荷还比较 小，随后当腰线开始加载时，载 荷图线产生一个突起，说明产生 的载荷突然增加数倍。另一个载 荷突变发生在 t=35msec 时刻， 这时，刚性发动机与壁障发生碰 撞，发动机突然减速。之后，随 着发动机舱结构继续发生折叠变 形，产生的载荷都相对稳定。