汽车车身设计-第三章.ppt

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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材汽车车身设计,第三章 车身结构拓扑模型与力学模型,提纲,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷第二节 车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,白车身（BIW-Body In White）,概念：指已经装焊好的白皮车身；主要包括车身结构焊接总成和车身闭合件（Closure，车门、发动机罩

2、、行李箱盖等）焊接总成，不包括车身附属设备和装饰件,白车身的设计要求,车身结构的性能要求理想的碰撞特性轻量化和低成本遵循总布置尺寸约束基于平台的系列设计满足车身制造要求,承载系统包括车身和车架按承载型式不同分类非承载式承载式,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,（一）非承载式车身,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,特点属于带有独立完整车架的车身结构。动力总成、悬架和转向系等均安装于车架；车身通过橡胶垫或悬置用螺栓与车架连接载荷主要由车架承担，车身承载的多少只是相对车架而言多用于有较宽松空间的高级轿车上优点

3、车身与车架弹性连接，乘坐舒适性好；便于车身的改型,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,典型结构-车架多由闭式箱形梁组成，板厚2mm3mm，具有抗弯曲刚度和较高的抗扭刚度正碰时，能量首先由车架承受；通过有目的的由前向后以车身横断面分级，将碰撞能量可以传递到指定区域侧碰时，撞点位置往往在门槛梁的上部（车门和门柱），只有一部分能量由车身门槛传到车架,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,（二）承载式车身将车架的作用融入车身的结构，又称整体式车身结构，它承担承载系统的全部功能，发动机和行走系的支点都在车身上,第一节

4、作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,（二）承载式车身通常将发动机和行走系通过副车架与车身底架连接副车架与车身底架纵梁之间设有橡胶垫，以减弱发动机和悬架的振动对车身的影响将动力总成和悬架等与副车架形成一个组装部件，对生产和使用都带来方便,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,（二）承载式车身优点整体刚度大，重量轻，整车高度低生产效率高是现在轿车中常见的结构,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,（一）在各种典型路况下车身、车架所受的载荷整车和车身参考坐标系取通过悬挂质量系统质心

5、的坐标系x y z,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,（一）在各种典型路况下车身、车架所受的载荷汽车行驶时作用在车身上力,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,（一）在各种典型路况下车身、车架所受的载荷动荷系数决定因素道路条件汽车行驶状况汽车的结构参数动荷系数难以用数学分析法确定，常取一些理论研究与试验修正相结合的半经验数值,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,（一）在各种典型路况下车身、车架所受的载荷典型路况路段：产生对称于汽车纵向对称面的垂直力Fzs路段：产生

6、的加速度与速度平方成正比，与曲率半径成反比路段：使左右车轮垂直加速度不同路段：将产生垂直加速度和纵向力Fx路段：产生侧向加速度和侧向力Fy,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,1影响车身强度的基本载荷对称垂直载荷,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,2影响车身强度的基本载荷非对称垂直载荷承载系统上作用非对称于汽车纵轴线的垂直载荷载荷可分解为对称垂直作用力Fzn和车身绕x轴的转矩Tx,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,（二）随机载荷疲劳载荷汽车在道路上行驶时，车身

7、和车架承受着悬架传来的路面随机载荷随机载荷引起构件反复交变的应力，会导致汽车结构疲劳损坏影响因素：路面情况、汽车使用条件和结构参数随机载荷的描述统计道路试验方法数字分析方法,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,（三）标准载荷G载荷汽车公司根据各地区使用条件制定的用途对整备车身结构悬置点位置施加约束，完成标准工况的载荷分析，模拟车身具体的变形，分析车身载荷的分布和高应力区一般用于已建立车身拓扑模型和几何参数模型的车身设计阶段，通过计算可得指导性的应力信息三种标准G载荷工况,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,

8、（三）标准载荷G载荷标准载荷分析的主要缺点不能预测疲劳寿命只有在构造详细结构后，方可进行疲劳寿命预测,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,（四）作用在车身上的其它非破坏性的作用力轻微冲撞力发动机和传动系传来的力牵引力和拖拽力千斤顶和悬吊作用力以及安全带固定点的作用力等非破坏性作用力,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,（五）碰撞载荷,第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷,车身结构布置受整车布置和造型的制约白车身结构由构件及其接头和板壳零件共同组成是承受载荷和传递载荷

9、的基本系统结构设计决定了载荷路径一般钢结构车身构件由成形钢板制件焊接组合截面为闭口或开口的薄壁杆件在车身中起支承和加强的作用,第二节 车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求,车身下部前、后纵梁底架各横梁地板及其两侧边梁与侧围外板组成的门槛地板中间通道前围板、后隔板悬架支座及轮罩等车身上部侧围的A、B、C柱顶盖及其边梁风窗上、下横梁等,第二节 车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求,车身分成前车身，中、后部车身前部车身车身前部敞开部分承受比较大的集中力，主要由底架的前纵梁支

10、承，并传至整个车身前部结构前车身的导风板及散热器框架等板壳零件也是车身结构的承力构件受到高速撞击时车头首当其冲，车身设计必须使其能有效地吸收冲击能量车身中段乘坐室部分主要承受分散在地板上的重力车身后部行李箱承受油箱、备胎和行李等重力，后纵梁承受后悬架支承力,第二节 车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求,乘坐车室与前部敝开部分连接区域刚度的加强纵梁到门槛的扭矩盒前铰链柱上端向前指的短枪梁斜梁或接头圆角的设计通过前纵梁力流的分散由前纵梁上部平面悬架支座附近，往后下方分叉斜伸出两根短梁，通到地板中间通道横梁和A柱的铰链柱段,第二节 车身

11、结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求,车身中部底架总成的中部由地板和前围板组成，其支撑结构是门槛梁和与地板焊接在一起的帽形横梁。帽形横梁主要用于加强左右门槛之间的联系，并承受侧向碰撞力地板的中间通道有利于提高地板的抗弯能力上部的框架结构由侧围总成、前/后风窗框、前围板/后隔板及车顶梁构成侧围在车身整体弯曲刚性中起重要作用前围板、后隔板具有很高的车身横向抗剪刚度,第二节 车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求,后部车身对于斜背式或快背式，扭转时的剪力则主要由后部框架承受地板总

12、成后部零件承担着后悬架传来的力，这些力主要由后纵梁和后地板分担后纵梁与乘坐室的连接，应该有利于载荷分流,第二节 车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求,车身结构构件布置应使车身构成一个连续完整的受力系统与合理的载荷路径,第二节 车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求,车身结构的拓扑布置设计是概念设计中要首先完成的工作车身拓扑模型是指车身结构中，梁、柱等承载件空间布置型式,第二节 车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构

13、的要求,白车身结构的布置空间受车辆总体外形和内部布置要求的约束构件的布置是否合理，可通过简化模型的载荷计算分析判断借助拓扑模型研究和定义初始的几何尺寸参数，如构件截面、接头参数和板料厚度等初步优化后的拓扑几何方案输入CAD系统进行详细的结构设计,第二节 车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求,构件储藏应变能多少是衡量它承担载荷多少的标志，可用比应变能表示总应变能小，说明车身刚度足够大，或材料没有充分利用可将比应变能小的构件取消或减薄板厚，以便减轻重量。应变能大的区域对车身刚度影响较大，要考虑是否需要加强应该尽可能使材料在结构中的分布

14、与各处的应变能成比例，使比应变能均匀化,第二节 车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求,碰撞安全法规正碰撞侧碰撞后碰撞等,第二节 车身结构的拓扑模型一、车身结构二、车身结构拓扑模型的建立三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求,车身概念设计初期，车身被简化为空间框架结构，用有限元法求得结构在外载荷作用下各个构件的内力用梁单元来模拟梁、柱,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,杆长一定情况下，

15、梁单元的刚度主要决定于梁的材料和截面性质,实例-车身框架结构应力计算用一个简化的框架结构表示车身结构（对称结构）,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,实例-车身框架结构应力计算工况1-载荷完全对称于车身的纵轴车身框架是个近似平面弯曲问题每个构件节点只有三个自由度,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,实例-车身框架结

16、构应力计算工况2-框架结构承受扭转工况结构呈现反对称变形车身框架是个空间扭转问题每个构件节点有六个节点位移分量和相应的六个节点力分量,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,车身杆件多由薄板成型件组成杆件截面开口闭口截面形状和尺寸对截面特性有很大影响除了材料性质外，主要是弯曲惯性矩和扭转惯性矩等截面,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各

17、阶段对模型的要求,复杂截面的特性计算公式,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,截面特性比较材料面积A和壁厚t不变情况下，闭口截面的抗弯性能稍次于开口截面，但闭口截面的扭转惯性矩远大于开口截面,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,截面特性薄板围成的闭口截面，中线周长和材料厚度一定，抗扭惯性矩与A 平方成正比；截面形状

18、对力学特性无独立意义，所围面积大小则很重要圆形截面对抗扭最有利矩形截面中，正方形抗扭能力最高，两边之比h/b2时，扭转惯性矩明显下降,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,例-某车侧面主要截面位置及部分截面特性计算结果,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,接头：车身结构中2个以上承载构件交叉连接的部位a)A柱至顶盖梁

19、，b)B柱至顶盖梁，c)B柱到门槛，d)前铰链柱到门槛，e)A柱到前铰链柱和短梁，f)C柱到顶盖，g)门槛到后纵梁，h)上散热器支架到短梁,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,1研究接头的意义白车身结构总成=承载构件+接头+板壳构件的截面性质，接头的刚度和板壳的形状和板厚都影响车身的刚度，影响车身的振动、噪声和耐久性研究表明：将接头视为刚性的计算结果使整车刚度提高50%以上，可见接头的柔性是不可忽略的研究接头的意义指导接头设计为概念设计阶段建立车身简化模

20、型提供支持,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,2接头力学特性接头的特性由设计参数表征设计参数必须体现与设计变量的联系，且对车身性能影响明显，以便于建立简化的接头模型如轮廓尺寸：腿长、角度、截面尺寸等内部结构：焊点部局、零件数、内加强板的布置和设计，圆角半径等,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,选择物理意义明确的

21、接头刚度作为设计参数接头各腿的扭转刚度（TOR）接头各腿的内/外刚度（I/O）接头各腿的前/后刚度（F/A）或上/下刚度（U/D）具体方向决定于每个接头局部坐标系的选取,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,3接头刚度的模拟计算接头刚度可以用分析法或测试技术获得,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,3接头刚度的模拟计

22、算1）接头计算模型分为详细接头模型和简化的接头模型详细接头模型用板单元模拟一般从用于NVH分析的详细车身结构模型中抽取这些接头模型用于接头参数化和引导设计这种抽取局部模型方法虽方便，但计算结果往往与实验数据相比误差较大,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,3接头刚度的模拟计算1）接头计算模型简化接头模型将详细接头模型简化成由梁单元和弹簧元模拟用于概念设计时将构件用梁单元模拟的简化车身模型参数少、模型简单、便于更改也可用超单元技术来描述接头力学特性。可缩减

23、接头详细模型的自由度数，便于计算,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,3接头刚度的模拟计算1）接头计算模型超单元：将系统自由度分为主自由度和副自由度，副自由度依附于主自由度而被消去接头详细有限元模型a）的刚度方程Dm主自由度，各腿端面的形心看成主节点Ds副自由度，其它所有内部节点自由度Fm作用在主节点上的力Fs作用在副节点上的力接头的刚度矩阵Km接头有限元模型a简化成模型b，其刚度矩阵Km是一个1818的实刚度矩阵，就是超单元的刚度矩阵,第三节 车身结构

24、的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,某车若干接头的有限元模型从车身模型截取接头要正交于构件的轴线截割接头截割平面位置要考虑与相邻梁单元的正常连接要保持接头的完整性,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,3接头刚度的模拟计算2）接头刚度计算定义局部坐标系例 A柱到顶盖接头的A柱（腿1）扭转方向：正交于截面（局部坐标x方向）前/后方向：

25、A立柱截割面上，垂直于风窗表面的方向（局部坐标z方向）I/O方向：截面上风窗表面切线的方向（局部坐标y方向）,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,3接头刚度的模拟计算2）接头刚度计算约束顶盖侧纵梁和前横梁（腿2、3）远端所有自由度分别在A柱截割端的前/后（或上/下）、内/外和扭转方向施加一个转矩，先后得到相应的三个转角，则三个方向的接头刚度值可求同样方法分别求得顶盖侧纵梁和顶盖前横梁的刚度,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构

26、中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,4接头刚度对整体车身刚度的影响车身结构的内力通过接头传递，接头的变形影响整个车身结构的变形研究表明，车身接头刚度对整个车身刚度的影响可达50%70%车身结构梁和柱的截面对接头的刚度有很大的影响,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,车身有限元模型杆件梁单元接头接头单元地板、顶盖等板壳单元,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、

27、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,基于性质的参数化模型（PBMProperty Based Models）描述车身力学特性，定义主要结构的拓扑其结构部件，如接头、梁和板壳在拓扑定义的节点处连接在PBM有限元模型中分别用梁单元、接头超单元和地板板壳单元的力学特性表示单元参数的确定通过分析和专家经验，考虑设计、制造等要求在进行性能优化时，不断适时修改PBM是用于优化结构性能和方案评估的有效工具,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四

28、、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,精确计算必须用板壳单元模拟一个轿车车身的单元数至少有数万个，其自由度数可达数十万个单元尺寸多在20mm左右，目前正在向更小的方向发展单元边长之比控制在1:5以内为宜,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,四边形板单元在平面应力状态下每个节点有两个自由度,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细

29、模型六、设计各阶段对模型的要求,四边形板单元在弯扭应力状态下每个节点有三个自由度,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,四边形板单元在组合应力状态每个节点有三个自由度,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性

30、质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,通过单元的组合，即可获得板单元模型的结构整体刚度方程，并计算出各节点的位移和各单元应力,模型化把车身结构抽象为一组由力学单元构成的模型，同时给出约束条件和载荷的数学描述模型化的关键在于尽可能真实地反映车身结构的力学特性模型化技术关系到计算成本、计算工作量以及计算结果的真实性，还受计算机软、硬件条件的限制，乃至与分析人员技术水平、习惯有关,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,不同设计阶段对模型

31、的要求不同概念设计阶段可能只有几个粗略的尺寸草图，提出几种概念构造方案计算目的是对设计构思的初步评价，给设计人员选型提供帮助分析模型应抓住主要构造参数，只求反映各设计思路之间的差别，规模不宜大，力求简单、快速，便于优化设计中期构造方案已经确定，结构处于推敲、研讨和与竞争车型比较阶段计算的目的可能是预测和优化车身设计性能，使设计达到目标性能和满足各方面的要求计算模型随结构设计的进展逐步细化，力求真实设计后期是结构完善化的阶段，要对结构和性能进行全面的平衡和评估，并将仿真计算结果与样机测试结果进行对比分析模型要求保证计算精度，强调反映车身结构和性能的全面准确评估,第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力二、车身结构中构件的截面性质三、车身结构中构件节点（接头）的性质四、车身参数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求,