第四章 车身结构刚度和动力学性能设计

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1.刚度测试和分析2.车身整体刚度设计3.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00HHtttHIIItt00VVtttVIIIttVPHIIIttt（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2KTtt（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①对标确定车身NVH性能水平，并初步分派各接头刚度指标②参考样车和积累的数据，进行接头初步构造和尺寸选择③建立接头刚度约束下的板厚优化模型④根据材料单价和重量，提出成本约束⑤基于工艺要求确定尺寸约束⑥对各接头进行刚度关于板厚的灵敏度分析和优化设计⑦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①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②分析目标：低成本、满足接头目标刚度要求③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④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①静态扭转刚度和弯曲刚度②计算车身一阶弯曲和扭转模态频率③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1.板壳零件的刚度取决于零件的板厚及形状2.曲面和棱线造型、拉延成型时零件的冷作硬化3.在内部大型板件上冲压出加强筋4.若不允许出现加强筋，可在零件上贴装加强板5.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1.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2.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3.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4.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0MK0MKM120n12,,MMMn（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20~40Hz二阶弯曲•三个节点•频率为30~50Hz（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①车身低阶模态频率大致在20~50Hz•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②在节点处布置动力总成等的悬置点③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1.各方案前五阶正交模态、四种工况静刚度对比2.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40~300Hz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50~60Hz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