汽车车身设计课件.ppt

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1、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

2、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 车身弯曲、扭转刚度和局部刚度车身动刚度 模态特征、传递特性车身刚度最终影响汽车的目标性能NVH（Noise、Vibration、Harshness）特性车身结构耐久性,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 性能水平测试、分析和评价研究，新车型性能指标的参考。测试包括：整车和车身刚度、车身模态、用户界面点振动、噪声响应等2）对新设计提出具体目标要求 用户界面点动力响应，一阶模态频率，总体和局部刚度。综合其他：碰撞性能、耐久性、布置要求、重量和成本3）实施车身拓扑构造技术，选择结构方案

3、整车水平和部件参数关系、构造和性能关系4）建立车身CAE模型 研究不同设计参数对不同性能要求的影响，计算灵敏度系数，用于结构优化、修改和性能调整,5）结构优化 建立优化模型，反复调整部件的结构参数和性质；修改模型，各子系统结构在平衡，直至获得满足目标性能各方面要求的最佳方案6）试验验证 硬件验证伴随产品开发过程的每个阶段工作7）完善化 物理样机试验出现的问题在投产前后尽可能完善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

4、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,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,部件刚度贡献率 a)弯曲刚度 b)扭转刚度,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

5、作用,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）,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，或车身结构声固耦合的变化而引发高的噪声利于汽车操纵性,第一节 车身结构刚度设计二、车身整体刚度设计,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（二）车身刚度优化,（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

6、型（基于性质的参数化模型）,（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能得到合理的匹配，满足总的刚度设计目标优化后的模型各部分性能就是下一步车身详细设计的指南,（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,（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,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

7、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,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

8、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,（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,（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,（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：,（三）防止结构中的应力集中孔洞的设计孔洞会产生应力集

9、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,（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,（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,（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,（一）振动模态分析车身振动特性分析基于有限元法和线性

10、振动理论弹性系统的振动方程,（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,（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,（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

11、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%,（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,（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,（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

12、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,（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,（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,（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,（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

13、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,（三）振动特性测试试验模态分析应用,（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,（一）

14、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,（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,（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,（四）结构动力学设计所提出的车身动

15、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,（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,（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,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

16、 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,（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,（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

17、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,（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用于寻求合适的汽车加速度响应，要求整备车身的模态频率与激励频率不耦合，以避免共振,（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

18、求,（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,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,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,（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,（四）结构

19、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,（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

20、构一阶弯曲和一阶扭转模态频率的曲线关系,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,（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,（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,（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

21、非性能要求都作为分析整备车身模型时的约束条件,（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,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,设计C5的基础是C4敞蓬车，其一阶结构模态频率是1

22、3Hz，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,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,1结构方案比较和选择对多个方案

23、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,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,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

24、成本等要求，选择整体框架结构作为新设计C5的结构方案,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,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

25、型局部接头的详细模型导出,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,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,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

26、等的说明,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二、结构研究阶段,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,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

27、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,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,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,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

28、求车身总体布置和外形冻结时，车身结构设计全面展开通过结构概念设计、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三、结构完善阶段,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,