汽车车身结构强度和刚度分析与设计
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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
Ø 车身刚度包括静刚度和动刚度，其中静刚度分为整体刚度和局部刚度，车身整 体刚度主要是指车身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。
Ø 汽车行驶时要受到弯曲、扭转载荷，因此车身具有足够的弯曲和扭转刚度是最 基本的要求。
3.2 车身结构强度与刚度分析
第3章 汽车车身结构分析与设计
《汽车车身结构与设计》
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
Ø 车身作为一个受力结构，设计时必须有足够的强度和刚度，以保证其疲劳 寿命，满足装配和使用要求，同时应有合理的动力学特性，以控制振动与 噪声，还应有足够的抗冲击强度，以保证碰撞时的乘员安全。
图为帕萨特B8车身结构，采用新材料实现了车身轻量化。
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
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、零部件的表面质量以及相似车型、相似 部位的试验结果等因素进行综合判断。 3. 车身疲劳强度分析
Ø 车身设计时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 选择合理的设计分析方法 。
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
Ø 实践证明，有限元方法对于复杂的车身结构设计是最佳方法。通过有限 元分析，得到白车身及其结构件在各种工况下的变形，可精确计算车身 的强度、刚度、 振动频率等力学性能指标。将有限元分析结果，反馈到 车身设计环节，修改不合理的参数，经多次优化，提高车身设计质量， 使产品在设计阶段就可满足使用要求。
3.2 车身结构强度与刚度分析
汽车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
3.2 车身结构强度与刚度分析
4. 车身刚度分析
（1）车身刚度定义 车身刚度是车身结构抵抗变形的能力，即产生单位变形时所需的力。 现代汽车车身结构一般由薄钢板，通过焊接、铆接、粘接等工艺连接而成。
其刚度不仅与材料本身的性质（密度、弹性模量等）、构件截面形状（开口/闭 口截面）、截面的弯曲惯性矩、扭转惯性矩有关，还与连接方式（焊接、铆接 和粘接）、接头设计和板料厚度有关。
Ø 概念设计阶段可以先采用静态分析，静载荷乘以适当的动载荷系数和安全 系数得到动态的等效载荷，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动响应进行直接的动态分析。
Ø 在车身结构强度与刚度设计时，通常以几种典型的工况为例进行分析，如 弯曲工况、扭转工况、紧急转弯工况、紧急制动工况等。
Ø 有限元方法不仅为使车身设计更合理化创造了条件，还能缩短设计周期， 降低成本，是提高车身可靠性既经济又适用的重要方法。
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
1. 车身承受的主要载荷
汽车行驶时，所受载荷可分为静载荷和动载荷，静载荷主要包括汽车自重 和车身有效载荷，动载荷是指汽车在行驶过程中大小和方向都随时间变化的载 荷，主要包括：
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。
疲劳与断裂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
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
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。这是建立的轿车有限元模型。
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
2）将数字模型导入有元分析软件 利用CATIA、Pro/E等软件与有限元分析软件ANSYS之间的数据传输，
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在CAD软件中做适当简化处理，主要为以后网格划分 提供方便，减少计算机计算时间。
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及簧载质量振动所产生的垂直动载荷； 3）空气动力及汽车转向时的侧向力等。
上述载荷大部分为动载荷，其大小随时间变化，在车身结构分析时，上述 载荷通常按集中载荷或均布载荷分布在车身或车架的适当位置。
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
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
4）对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 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，可得到不同工况 下车身结构的应力和应变值，并能准确判断应力大小区域。
图为某车身应力分布图形，不同颜色表示不同的应力分布。
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
5）车身结构优化设计 车身轻量化设计始终是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
3.2 车身结构强度与刚度分析
2. 车身静强度分析
车身强度设计准则是在指定载荷下，如汽车某一车轮或几个车轮同时过凸台 或凹坑时弯扭联合载荷，车身最大应力不超过许用值。 车身静强度常用分析方法与步骤 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。如图所示的 是用CATIA软件建立的车身数字模型。
（2）车身刚度对汽车性能的影响 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 4）刚度对燃油经济性的影响
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3.2 车身结构强度与刚度分析
Ø 车身刚度包括静刚度和动刚度，其中静刚度分为整体刚度和局部刚度，车身整 体刚度主要是指车身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。
Ø 汽车行驶时要受到弯曲、扭转载荷，因此车身具有足够的弯曲和扭转刚度是最 基本的要求。
3.2 车身结构强度与刚度分析
第3章 汽车车身结构分析与设计
《汽车车身结构与设计》
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
Ø 车身作为一个受力结构，设计时必须有足够的强度和刚度，以保证其疲劳 寿命，满足装配和使用要求，同时应有合理的动力学特性，以控制振动与 噪声，还应有足够的抗冲击强度，以保证碰撞时的乘员安全。
图为帕萨特B8车身结构，采用新材料实现了车身轻量化。
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
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、零部件的表面质量以及相似车型、相似 部位的试验结果等因素进行综合判断。 3. 车身疲劳强度分析
Ø 车身设计时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 选择合理的设计分析方法 。
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
Ø 实践证明，有限元方法对于复杂的车身结构设计是最佳方法。通过有限 元分析，得到白车身及其结构件在各种工况下的变形，可精确计算车身 的强度、刚度、 振动频率等力学性能指标。将有限元分析结果，反馈到 车身设计环节，修改不合理的参数，经多次优化，提高车身设计质量， 使产品在设计阶段就可满足使用要求。
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汽车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
3.2 车身结构强度与刚度分析
4. 车身刚度分析
（1）车身刚度定义 车身刚度是车身结构抵抗变形的能力，即产生单位变形时所需的力。 现代汽车车身结构一般由薄钢板，通过焊接、铆接、粘接等工艺连接而成。
其刚度不仅与材料本身的性质（密度、弹性模量等）、构件截面形状（开口/闭 口截面）、截面的弯曲惯性矩、扭转惯性矩有关，还与连接方式（焊接、铆接 和粘接）、接头设计和板料厚度有关。
Ø 概念设计阶段可以先采用静态分析，静载荷乘以适当的动载荷系数和安全 系数得到动态的等效载荷，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动响应进行直接的动态分析。
Ø 在车身结构强度与刚度设计时，通常以几种典型的工况为例进行分析，如 弯曲工况、扭转工况、紧急转弯工况、紧急制动工况等。
Ø 有限元方法不仅为使车身设计更合理化创造了条件，还能缩短设计周期， 降低成本，是提高车身可靠性既经济又适用的重要方法。
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
1. 车身承受的主要载荷
汽车行驶时，所受载荷可分为静载荷和动载荷，静载荷主要包括汽车自重 和车身有效载荷，动载荷是指汽车在行驶过程中大小和方向都随时间变化的载 荷，主要包括：
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。
疲劳与断裂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
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
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。这是建立的轿车有限元模型。
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
2）将数字模型导入有元分析软件 利用CATIA、Pro/E等软件与有限元分析软件ANSYS之间的数据传输，
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在CAD软件中做适当简化处理，主要为以后网格划分 提供方便，减少计算机计算时间。
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及簧载质量振动所产生的垂直动载荷； 3）空气动力及汽车转向时的侧向力等。
上述载荷大部分为动载荷，其大小随时间变化，在车身结构分析时，上述 载荷通常按集中载荷或均布载荷分布在车身或车架的适当位置。
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
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
4）对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 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，可得到不同工况 下车身结构的应力和应变值，并能准确判断应力大小区域。
图为某车身应力分布图形，不同颜色表示不同的应力分布。
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
5）车身结构优化设计 车身轻量化设计始终是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
3.2 车身结构强度与刚度分析
2. 车身静强度分析
车身强度设计准则是在指定载荷下，如汽车某一车轮或几个车轮同时过凸台 或凹坑时弯扭联合载荷，车身最大应力不超过许用值。 车身静强度常用分析方法与步骤 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。如图所示的 是用CATIA软件建立的车身数字模型。
（2）车身刚度对汽车性能的影响 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 4）刚度对燃油经济性的影响
第3章 汽车车身结构分析与设计