汽车车身设计第四章.ppt
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,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,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,车身整体刚度设计方法（一）构造车身基本结构并建立概念设计模型（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,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,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.接头优化对标确定车身NVH性能水平，并初步分派各接头刚度指标参考样车和积累的数据，进行接头初步构造和尺寸选择建立接头刚度约束下的板厚优化模型根据材料单价和重量，提出成本约束基于工艺要求确定尺寸约束对各接头进行刚度关于板厚的灵敏度分析和优化设计迭代计算，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个车身板零件分析目标：低成本、满足接头目标刚度要求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,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,车身整体刚度设计过程总结1）对竞争车型测试参数；2）整车和车身刚度的匹配，并分派各子系统刚度指标；3）初步构造结构，并建立系统简化分析模型；4）结构计算研究，包括静态扭转刚度和弯曲刚度计算车身一阶弯曲和扭转模态频率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,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,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,（二）板壳零件刚度设计上的考虑板壳零件的刚度取决于零件的板厚及形状曲面和棱线造型、拉延成型时零件的冷作硬化在内部大型板件上冲压出加强筋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,（三）防止结构中的应力集中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车身支承部件（前、后轮罩）的设计轮罩零件板厚分级,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）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,（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：特征方程特征方程的解固有频率固有振型,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,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,一阶弯曲两个节点频率为2040Hz二阶弯曲三个节点频率为3050Hz,（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车身整体振动模态轿车各部分的固有振动频率和激振频率的分布图车身低阶模态频率大致在2050Hz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在节点处布置动力总成等的悬置点车身装上内饰件后，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2部件模态分析注意车身刚度分布例：轿车前车身开口部分刚度优化各方案前五阶正交模态、四种工况静刚度对比加强车头与车室连接的刚度、改变该处载荷路径,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2部件模态分析注意车身刚度分布例：轿车前车身开口部分刚度优化,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3车身板壳的局部振动模态刚度差的大型覆盖件易在振源激励下产生强迫振动当激振频率接近车身内外板的固有振动频率时将发生板壳共振车身大型板件共振频率通常在40300Hz或更高的范围板件振动造成的辐射声和车室内空腔体积的变化，是产生车内噪声的重要原因例如轿车地板的共振频率在5060Hz左右，共振时发生敲鼓式的声响,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3车身板壳的局部振动模态,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3车身板壳的局部振动模态,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）车身振动响应分析动力学分析计算系统在激励下的响应，即求方程的通解应采用车身整备模型，并输入激振力或道路功率谱密度响应：速度、加速度、位移、应力时间历程分析（振型叠加法、直接积分法等）响应谱分析（模态响应、模态应力）频率响应分析,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,（三）振动特性测试试验模态分析是通过振动模态试验获得表征结构动态特性的模态参数的一种动态分析方法对于结构动态特性的预测、测试和修改，试验模态分析是最重要的技术之一,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,（三）振动特性测试试验模态分析应用,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）主观评价和客观测量车身刚度和模态不是最终的评价指标汽车的性能指标应体现在使用性能的最终综合水平在设计的最初阶段，对竞争车型进行评价，并测量驾驶员界面点的振动响应特性,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）主观评价和客观测量1主观评价由专家实际驾驶和主观评价的方法，评价汽车振动性能。对主观评价认为最好的车型要进行客观测量例：某公司新蔽蓬车设计，对7种竞争车型进行评价专家驾驶竞争车型，先后以低速、高速行驶于粗糙路面上评价转向盘、座椅、后视镜等驾驶员界面特征点振动特性,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）主观评价和客观测量2道路响应测量在与主观评价时同样的路面上对三种车型(包括原敞蓬车、闭蓬车、硬顶D型车)的道路响应测量结构模态频率是影响车辆结构动力学性能和乘坐感觉的关键指标,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）确定性能指标竞争车型指标，为新车设计提供了一个清晰的动力学性能水平。再考虑其它要求，可确定各项性能指标其它性能要求：碰撞安全性耐久性布置、重量等,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,（三）性能综合综合考虑各种要求，完成一个设计充分理解所有性能要求，关键在于弄清整车性能要求与部件设计参数间的关系建立基于性质的参数化模型（PBM），可帮助弄清这个关系此设计初期的过程不能获得确定的设计，只是为后续优化设计提供一个初始方案,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,（四）结构动力学设计所提出的车身动力学性能要求，分派到各子系统和部件，由其性能保证将来整车性能目标的实现分派指标：1模态研究与控制（模态分布图设计）2建立系统模型3动力学计算分析4分析流程5性能平衡6结构优化,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,（四）结构动力学设计1模态研究与控制车辆振动响应是车辆子系统、零部件与道路或发动机激励等彼此作用的结果为降低驾驶员界面的振动响应级，必须控制系统振动的频率，使其互不耦合并避开通常的激励频率需要根据最初对标时所做的分析和测量，以及数据库的数据支持，设计模态分布图,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,（四）结构动力学设计1模态研究与控制例：某车型的模态图模态间的线段指出为使耦合最小而应隔离的部件模态,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,激振频率和子系统模态分布图1.车身在悬架上 2.人坐在座椅上 3.乘员人体（组织器官）4.发动机在悬置上5.悬架子系统 6.车身结构弯扭 7.动力总成子系统 8.转向柱子系统 9.风窗子系统,（四）结构动力学设计2建立系统模型在设计的各个阶段,建立相应的系统有限元模型，计算和评估性能水平系统模型有如下几类：车身概念模型整备车身模型车辆系统模型,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,（四）结构动力学设计2建立系统模型车身概念模型结构参数少，便于各方面的评估和完成概念设计，也称为概念模型用于选择构造；既要在刚度/质量方面具有潜力，又要考虑碰撞、耐久性等方面可能存在有几个概念模型版本，用于不同方案的比较,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,（四）结构动力学设计2建立系统模型整备车身模型响应分析必须采用整备的车身模型整备车身模型是将所有与结构无直接联系的非结构质量，如内、外附件等，按集中质量或分布质量附加到车身结构上的模型整备车身模型通常用于仿真计算和优化构造研究,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,（四）结构动力学设计2建立系统模型车辆系统模型整备车身模型与如动力总成和底盘等联合在一起组成车辆系统模型，包含模态分布图中全部谐振子系统和全部质量在整车性能仿真计算时采用的车辆系统模型是整车刚弹耦合模型有时还需建立部件的分析模型,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,（四）结构动力学设计3动力学计算分析正交模态计算系统模型中所有子系统的正交模态，并按模态分布图进行匹配和设计调整注意车身一阶弯曲模态和一阶扭转模态的目标要求,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,（四）结构动力学设计3动力学计算分析频率响应驾驶员界面点的响应计算根据目标级要求，进行结构方案修改,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,例：转向盘的抖动为降低响应，设计时尽量提高转向柱安装支架的刚度，并增大上、下支架的距离L1,（四）结构动力学设计3动力学计算分析频率响应计算-实例,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,悬架支承部位的车身结构局部刚度对车身动力响应影响很大要评价所有车身安装点的动力适应性，即进行机械导纳分析,（四）结构动力学设计3动力学计算分析灵敏度及应用,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,（四）结构动力学设计3动力学计算分析灵敏度及应用,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,（四）结构动力学设计3动力学计算分析灵敏度及应用,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,（四）结构动力学设计3动力学计算分析灵敏度及应用在结构动力学设计时，灵敏度用于引导车身模态频率的设计,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,（四）结构动力学设计3动力学计算分析灵敏度及应用例：接头刚度对板厚的灵敏度分析；进而分析前几阶白车身振动模态对接头刚度的灵敏度,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,（四）结构动力学设计3动力学计算分析灵敏度及应用结论灵敏度分析方法，可从结构整体观察结构。灵敏度信息在研究复合响应和确定载荷路径时很有用例：对激励变形最灵敏的接头是最危险的接头刚度部件，应注意提高其刚度相对变形大且灵敏度低的接头，表明结构的效率低，不能充分发挥作用，或者结构不连续，应该考虑重新设计如果灵敏度值比较均匀，说明设计中结构平衡较好,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,（四）结构动力学设计3动力学计算分析灵敏度及应用结论系统模型也用于计算驾驶员界面响应对结构模态频率的灵敏度；从中可看出对界面响应影响较大的子系统，或对于优化子系统模态频率最有效的修改结构的部位或修改方向例：某车型正碰保险杠时座椅轨道处加速度峰值和响应均方根值与车辆结构一阶弯曲和一阶扭转模态频率的曲线关系,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,1-加速度峰值 2-响应均方根值,（四）结构动力学设计4分析流程对于每个构造方案，其子系统和部件特性设计都需按顺序进行，从初始设计、调整到完善,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,（四）结构动力学设计5性能平衡设计和优化各子系统时，其结果有时不能满足车辆的其它方面的要求，必须采取折衷的方法改变系统模型使车辆的各方面性能得以平衡,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,（四）结构动力学设计6结构优化利用有限元分析、设计灵敏度分析和数值优化算法，更新结构设计参数，使某个给定的响应量在各种约束条件下最小化,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,（四）结构动力学设计6结构优化结构优化用于车辆的整个开发过程设计初期着重高刚度/轻质量设计后期优化结构时，将碰撞性能、耐久性和其它非性能要求都作为分析整备车身模型时的约束条件,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,（五）结构设计结构设计阶段结构方案选择结构研究结构设计完善这三个阶段各种方案的共同特点都是围绕车辆低阶弯曲和扭转模态频率进行研究,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,例：本节通过某公司C5敞蓬车车身设计实例说明结构设计的三个阶段背景：根据对竞争车型水平，公司提出了新设计敞蓬车的性能要求一阶结构模态频率是21Hz二阶结构模态频率不得小于23 Hz这是一般轿车的水平，但对敞蓬车是史无前例的根据调查，与新设计车型尺寸类似的敞蓬车，一阶扭转模态频率在1117 Hz。新设计要实现目标，必须对结构设计付出很大努力,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 四、白车身结构设计完成的总结,设计C5的基础是C4敞蓬车，其一阶结构模态频率是13Hz，比目标低8Hz在最初阶段基于竞争车型和原车型（C4）载荷路径的了解，首先力图改进C4 的结构采用连续的通道结构 焊接闭口截面的保险杠 仪表板和座椅背后附加闭口截面横梁有效地构造前后扭矩盒等形成C4的四种不同加强方案，使一阶频率提高46Hz四种方案中，对提高刚度/重量最有效的方案是采用地板的中间通道结构,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 四、白车身结构设计完成的总结,1结构方案比较和选择结合参考竞争车型结构和新制造技术可行性的研究，提出了几个新设计的结构方案都满足总布置、制造、耐久性和碰撞安全性要求每个方案都在一阶结构模态频率为23Hz的约束条件下，进行最轻重量的优化,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 四、白车身结构设计完成的总结,1结构方案比较和选择对多个方案权衡结果剩下三个方案整体焊接框架构造螺钉连接车身构造方案通过橡胶垫连接车身的构造方案,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 四、白车身结构设计完成的总结,1结构方案比较和选择1）方案比较对三个构造方案，都建立最简单的模型（方案c有基于同一个底盘的四个版本C.1、C.2、C.3、C.4）各方案初始截面尺寸和板厚相同，都采用原先C4的典型截面或参考样车的经验值，以此为基础进行优化,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 四、白车身结构设计完成的总结,曲线1重量约束为300kg时使频率最大化的结果曲线2一阶结构模态频率都约束在23Hz时，对三个方案进行重量优化的结果,1结构方案比较和选择2）方案选择比较可见，周边框架和通道结合的整体焊接框架结构的重量效率最高，且其构造明显具有高刚度/轻重量的潜力再考虑抗碰撞性，耐久性，以及布置、加工和成本等要求，选择整体框架结构作为新设计C5的结构方案,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 四、白车身结构设计完成的总结,1结构方案比较和选择2）方案选择确定结构方案后，新设计的特征就固定下来这些特征体现在从前横梁到后横梁之间的连续纵梁及周边框架的路径布置，通道路径和周边梁之间的连接构件（如剪力板、横梁等）的位置等下一步是研制详细载荷路径的尺寸和板厚，使其最有效地满足所有车身结构性能要求,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 四、白车身结构设计完成的总结,2.分析模型更新用于选择车身结构方案的概念分析模型，只是根据概念方案和总体布置建立的车身拓扑结构粗模型，或是基于性质的参数化模型（PBM）模型中梁单元截面的初始参数值参考先前C4典型截面或经验值，从截面尺寸和板厚初始值开始结构拓扑优化设计描述接头的弹簧元或超单元初始值由参考车型局部接头的详细模型导出,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 四、白车身结构设计完成的总结,2.分析模型更新随着设计逐步细化，分析模型也并行地进行改版，使分析模型更详细,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 四、白车身结构设计完成的总结,3.多目标优化结构的其它性能，如碰撞性能和耐久性等约束条件，再次被组合到整备车身分析模型用多目标集成方法，使结构概念集成在同一个分析模型中并进行优化和评估，使重量最小化当载荷路径、路径的截面尺寸以及全部板结构的零件板厚都初步确定后，概念设计完成,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 四、白车身结构设计完成的总结,4结构定义和详细说明书为确认结构概念设计，要提供一个结构详细说明书说明书要写明达到刚度和重量要求的所有载荷路径、相关尺寸和零件板厚度说明书列出四个图表载荷路径位置表载荷路径截面性质表接头刚度说明表结构板零件厚度表,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 四、白车身结构设计完成的总结,4结构定义和详细说明书例：截面性质表和接头刚度说明表的示例主要是周边框（门槛）、风窗柱、前保险杠横梁与纵梁之间接头等的说明,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 四、白车身结构设计完成的总结,新车开发的过程中，还需进行各子系统间的性能再平衡工作：结构设计灵敏度分析在已经确定的性能水平下的结构调整基于总体性能的结构研究物理样机验证,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 四、白车身结构设计完成的总结,结构设计灵敏度分析通过性能灵敏度分析，查出载荷路径、接头或板厚的改变对车辆结构前几阶弯曲和扭转模态频率影响的灵敏度对性能灵敏度小的区域是可被再平衡的区域，因为这个区域的变化对结构性能影响最小,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 四、白车身结构设计完成的总结,2.在已经确定的性能水平下的结构调整在进一步平衡过程中，灵敏度分析结果提供了方向。但是往往在设计过程中由于大量的平衡工作使得其他子系统发生变化，造成新的要求或者约束的变化设计初期，结构变化对性能影响较大；在设计过程后期，方案研究更详细，但对性能的影响却逐步变小，只能在已经确定的性能水准下进行结构调整,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 四、白车身结构设计完成的总结,2.在已经确定的性能水平下的结构调整例：在构造选择和结构方案开发阶段，认为第二、五横梁是横向载荷路径，对扭转刚度的提高有重要的贡献研究其对结构响应和模态频率的贡献发现，有无第二横梁对乘员界面点的加速度响应影响不大。第五横梁的作用也类似,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 四、白车身结构设计完成的总结,2.在已经确定的性能水平下的结构调整例：研究表明：如果拆除二、五横梁，则保险杠横梁及其与纵梁的接头对动力响应的影响就变得很灵敏。因此保险杠横梁必须是闭口截面梁，且与纵梁应牢固焊接通过对接头的专门分析和研究表明，该接头成为结构中最重要的接头。而拆除二、五横梁后，可以减轻重量大约10公斤，还可以加大车身前后端的布置空间，振动性能的损失却可以忽略,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 四、白车身结构设计完成的总结,3.基于总体性能的结构研究车身是一个大的子系统，它会影响车辆的几乎所有子系统的设计，伴随着影响多方面的综合性能为便于从整车水平对每个阶段的结构进行再平衡，需列表研究每一个结构方案的变化与整车水平的关系,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 四、白车身结构设计完成的总结,4物理样机验证分析模型是使结构设计满足高刚度/轻重量的有效工具，而且分析方法是成熟的、经过验证的对于一个完全新的设计来说，物理样机认证仍非常重要，包括整车性能的全面测试,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 四、白车身结构设计完成的总结,通过结构概念设计、结构研究，新设计的车身结构的分析和硬件认证都证实了车身的大多数性能目标已经达到下一步是完善结构设计，以确保最优的性能，并引导车辆各方面要求的再平衡结构研究最终零件板厚最佳化硬件（样车）再造,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 四、白车身结构设计完成的总结,1.详细模型整车要求的再平衡是一个整车优化的过程。要建立用于这个阶段研究的分析模型在设计后期，为更精确地模拟结构性能，应建立更详细的模型完善的车身结构分析模型是用板单元来模拟所有结构,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 四、白车身结构设计完成的总结,1.详细模型整车系统模型，是整备车身模型和动力总成及底盘系统组合的模型在设计完善化阶段，要用这个整车系统模型进行模拟仿真，并将其结果与客户的感觉对比整车系统模型还用于追踪计算最终的一阶整车结构模态，因为这是确保大多数性能要求的关键指标通常结构调整还是用整备车身板模型进行研究,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 四、白车身结构设计完成的总结,2.车辆要求的再平衡在结构完善阶段，对车辆的要求是指布置、重量等非性能要求车辆要求的再平衡是车辆开发过程的继续竞争系统之间的折衷、平衡，在设计早期效果比较大，影响结构性能在12Hz间变化随着项目的进展，竞争方案的选择对结构的影响幅度变小，一般在0.20.5Hz范围,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 四、白车身结构设计完成的总结,2.车辆要求的再平衡例：在新车设计结构完善阶段，项目经理又提出了两个变量需要再平衡要求增加乘员的放脚地板的区域要求再减轻车身重量在C5设计中这两个要求对一阶结构模态频率有较大的影响；结果是放脚地板加宽导致车辆的一阶弯曲和一阶扭转频率减小了12Hz减轻重量本来就是新设计的一个主要目标，已被分派到每一个车辆子系统，而且必须不降低碰撞、耐久性等其他性能要求；而减小重量一般会引起一阶模态（刚度）下降，所以在这设计的后期，再减轻重量是困难的,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 四、白车身结构设计完成的总结,3.结构性能再平衡1）频率和重量设计灵敏度研究为获得最大的结构效益，需要运用灵敏度分析引导结构设计修改对于整备车身模型和整车系统模型，主要是计算一阶弯曲和一阶扭转频率对所有结构零件板厚改变的灵敏度为了一阶模态频率最大化和重量最小化，必须将结构频率灵敏度和薄板质量灵敏度结合考虑,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 四、白车身结构设计完成的总结,3.结构性能再平衡1）频率和重量设计灵敏度研究重量灵敏度表示一个零件重量的变化关于零件板厚变化的关系灵敏度排序图表是让项目经理认识车身结构某些零件重要性的有用的图形工具,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 四、白车身结构设计完成的总结,零件的联合灵敏度,3.结构性能再平衡2）多目标完善在项目的结构完善阶段，设计已趋于成熟。整车系统模型被再次用于碰撞性能、耐久性和NVH性能仿真分析，认证其各自性能进一步优化零件的厚度求得最小的整车重量满足整车结构一阶模态频率要求保持已确立的耐久性、碰撞性能和NVH性能满足风格、布置和制造的要求,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 四、白车身结构设计完成的总结,3.结构性能再平衡2）多目标完善在C5开发的整个过程中，优化运行数千次,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 四、白车身结构设计完成的总结,随着迭代次数变化的整车频率和车身结构重量变化曲线图曲线表明结构优化程序在不断修改设计方案，使其满足规定的一阶结构模态频率（21Hz）约束，而使重量最小化,3.结构性能再平衡3）结构性能硬件认证经过上述结构修改和性能的再平衡，需要进行第二轮样车试制，并对物理样机进行性能的全面测试；认证一阶模态频率和用户界面点响应等,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 四、白车身结构设计完成的总结,3.结构性能再平衡4）物理样机试验后或产品投产后的结构性能改进不再接受大的修改。零件几何形状和具体零件板厚被冻结从对其它子系统影响不大的、或不可避免要略微影响制造成本和重量但对性能有较大意义的方面，来努力争取设计水平的提高要进一步认识设计的完善程度应变能密度图，用于鉴别整车结构主要模态的高应变能区正交模态解中的应变能图，表示结构中各点之间的相对应变,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 四、白车身结构设计完成的总结,车身结构设计从项目起动开始，就着手竞争车型的调查和水平测试在总布置设计和造型设计阶段，就同时开始选择车身结构方案，并着手提出性能指标和要求车身总体布置和外形冻结时，车身结构设计全面展开,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 四、白车身结构设计完成的总结,车身结构设计分三个阶段：1）方案设计阶段布置车身载荷路径构造结构拓扑模型初步选择构件尺寸参数通过简化模型的计算模拟和方案比较，确定初步设计方案2）结构研究阶段仔细研究具体结构，对子系统和零件结构和制造工艺进行分析和优化考虑各方面性能要求和成本，进行系统性能平衡3）完善设计阶段对结构参数进行进一步优化，通过不断细化的模型模拟计算结构特性，反复修改和完善，使结构性能达到目标性能进行样车试制和验证；估算成本和重量,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 四、白车身结构设计完成的总结,最后必须完成的工作：将产品优化结果集成到数控模型将产品详细的装配说明存入产品数据文件中为总成件和零部件组成设计模型通过计算和仿真模拟证明整车产品特性建立和维护汽车零件表进行产品数据的文件存档,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 四、白车身结构设计完成的总结,
