（光学工程专业论文）车身结构主断面对白车身静刚度影响的研究.pdf

摘要 摘要 白车身( b o d yi nw h i t e ) 刚度是评价车辆设计可靠性和整车安全性能的重 要指标，白车身弯曲刚度和扭转刚度分析是整车开发设计过程中必不可少的环 节。研究车身结构主断面对白车身刚度的影响，对于改进相关的车身结构，改 善车辆的强度刚度状况，提高车辆的安全性和可靠性具有十分重要的工程实际 意义。本课题以某自主研发轿车为研究对象，建立其静态有限元分析模型，进 行初步的白车身静念扭转刚度、弯曲刚度分析和模态分析；并进行白车身结构 主断面几何特性修改的刚度灵敏度研究，确定对白车身刚度影响显著的关键位 置主断面；然后针对敏感主断面参考其它车型改变其截面面积等几何特性详细 分析白车身刚度的变化，建立主断面几何特性与白车身刚度的关系曲线。 本文的主要内容包括：第一，简要介绍了本课题的主要理论基础，包括白 车身静刚度理论和截面几何特性理论；第二，根据有限元法将白车身几何模型 离散化为主要由板壳单元组成的白车身有限元分析模型，满足静刚度分析和模 态分析的需要；第三，对建立的白车身有限元分析模型进行静态扭转刚度、弯 曲刚度和模态分析，并根据分析结果评价和优化自车身结构；第四，建立白车 身主要梁柱的主断面，并分析主断面几何特性修改对白车身刚度的灵敏度；第 五，针对灵敏度高的主断面，详细分析其几何特性变化对白车身刚度的影响， 建立各敏感主断面几何特性与白车身弯曲刚度和扭转刚度的关系曲线，为以后 的车身结构设计起指导作用；最后，本文对本课题的进一步研究的方向进行了 简要的讨论。 通过有限元仿真计算研究，本论文在改善白车身静刚度特性，以及白车身 结构主断面几何特性修改对白车身静刚度的影响等方面，取得了详细的分析数 据，得到了一系列具有工程应用价值的结论，对基于b e n c h m a r k 的新车型开发 尤其是车身结构设计具有重要的指导意义。 关键词：白车身，刚度，有限元法，主断面，灵敏度 a b s t r a c t a b s t r a c t b i ws t i f f n e s si sa l li m p o r t a n tc r i t e r i o nt oe v a l u a t ev e h i c l er e l i a b i l i t ya n ds a f e t y b i wb e n d i n ga n dt o r s i o ns t i f f n e s sa n a l y s i si sa ni m p e r a t i v es t e pi na u t od e v e l o p m e n t t h es t u d yi ss i g n i f i c a n ti ni m p r o v i n gb o d ys t r u c t u r e ，p r o m o t i n gb o d ys t i f f n e s sa n d h a r d n e s sc h a r a c t e r i s t i ca n de n h a n c i n gv e h i c l er e l i a b i l i t ya n ds a f e t y i nt h er e s e a r c h t o p i c ，t h ea u t h o rt a k e sa ni n d e p e n d e n td e v e l o p m e n tc a ra ss t u d yo b j e c tt oc r e a t ei t s s t a t i cf e am o d e la n dc o n d u c ti t sp r e l i m i n a r ys t a t i ca n a l y s i so fb e n d i n ga n dt o r s i o n s t i f f n e s sa n dm o d e ；t os t u d yt h e i rs t i f f n e s ss e n s i t i v i t yb ym o d i f y i n gg e o m e t r i c p a r a m e t e r so fb o d ym a s t e rs e c t i o n sa n df i n do u ts e n s i t i v em a s t e rs e c t i o n si n f l u e n c i n g b i ws t i f f n e s s ；f u r t h e r m o r e ，t oa n a l y z ei nd e t a i lt h ec h a n g eo fb i ws t i f f n e s sb y m o d i f y i n gs o m eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so fk e ym a s t e r s e c t i o n sa n dc r e a t et h e r e l a t i o n s h i pg r a p h sb e t w e e np r i m a r yg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so fs e c t i o n sa n db i w s t i f f n e s s t h ec o n t e n ti n c l u d e s ： f i r s t l y , m a k eab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h em a i nt h e o r yo ft h et o p i c ，i n c l u d i n g b i ws t a t i cs t i f f n e s st h e o r ya n ds e c t i o n sg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i ct h e o r y s e c o n d l y ，t u r nt h eb i wg e o m e t r i cm o d e li n t ot h ef e a m o d e l c o n s i s t i n go fp a n e l e l e m e n t st om e e ts t a t i cs t i f f n e s sa n dm o d a la n a l y s i s t h i r d l y , c o n d u c ti t sp r e l i m i n a r ys t a t i ca n a l y s i so fb e n d i n ga n dt o r s i o ns t i f f n e s s a n dm o d e ，t h e ne v a l u a t ea n do v i m i z eb i ws t r u c t u r ei nt e r m so ft h ea n a l y s i sr e s u l t s f o u a h l y ，c r e a t em a s t e rs e c t i o n so fp r i m a r yb i wb e a m sa n dp i l l a r sa n da n a l y z e t h e i rs t i f f n e s s s e n s i t i v i t yb ym o d i f y i n gg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s o fb o d ym a s t e r s e c t i o n s f i f t h l y , a i m i n ga th i g hs e n s i t i v i t ys e c t i o n s ，s t u d yi nd e t a i lt h ei n f l u e n c eo ft h e i r g e o m e t r i cp a r a m e t e r sc h a n g eo nb i w s t i f f n e s sa n de s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i pg r a p h s b e t w e e nm a s t e rg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so fs e c t i o n sa n db i wb e n d i n ga n dt o r s i o n s t i f f n e s s i tc o u l dp l a ya ni m p o r t a n ti n s t r u c t i v er o l ei nb o d ys t r u c t u r ed e s i g n i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d 1 j i nc o n c l u s i o n ，a c c o r d i n gt of es i m u l a t i o n ，t h ea u t h o rh a sa c h i e v e dd e t a i l e d a n a l y s i sd a t aa n ds o m ev a l u a b l ee n g i n e e r i n gc o n c l u s i o n si ni m p r o v i n gb i w s t a t i c s t i f r n e s sc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n f l u e n c eo fc h a n g i n gs e c t i o ng e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s o nb i ws t i f f n e s s ，w h i c hh a sav i t a ls i g n i f i c a n c ei n an e wv e h i c l ed e v e l o p m e n t ， e s p e c i a l l yi nb o d ys t r u c t u r ed e s i g n k e yw o r d s ：b i w , s t i f f n e s s ，f e m ，m a s t e rs e c t i o n ，s e n s i t i v i t y 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 名 j 糍竺 作 年 文荡 滟 弦 雠 必 学 一 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：；砰 渺6 年月卜日 第1 章引言 1 1 课题背景及意义 第1 章引言 本课题来源于上海同济同捷科技有限公司汽车设计工程研究院仿真分析分 院的研究工作。 二十一世纪以来，世界汽车工业一片低靡，各大汽车公司利润目渐缩减， 而中国却表现出成为汽车大国的潜力，产销量节节攀高，市场呈现出一派欣欣 向荣之势。汽车业成为行业新宠，世界各大汽车公司纷纷抢滩中国，而中国的 民营企业也大量涌入汽车行业。为了抢占市场赢得消费者的青睐，汽车厂家都 加大了研发力度缩短新车型的投放周期。在此背景下，自主研发登上了中国汽 车业的舞台，成为中国汽车企业发挥比较优势的主要砝码。上海同济同捷科技 有限公司作为国内汽车自主研发的排头兵，承接了国内众多车型研发项目，在 这条自主研发之路上，积累了丰富的实践经验，同时也提出了许多需要解决的 研究课题。本课题正是基于这一背景，配合新车型的研发工作而进行的。 纵观世界汽车工业沿革，现在的汽车是沿着“底盘一“发动机”一“车 身 逐步发展完善起来的。由于汽车与人们的日常生活息息相关，适应各种不 同目的和用途而进行的车型开发以及车辆的更新换代，其关键在于车身。车身 作为汽车的三大总成之一，已后来居上越来越处于主导地位。在现代汽车设计 过程中，车身设计是其中不可或缺的重要方面。据统计，轿车车身的质量占整 车总质量4 0 6 0 。车身占整车制造成本的百分比还超过以上给出比例的上限 值。此外，车身直接决定整车的安全性、舒适性、美观以及由车身外形空气动 力性能决定的操纵稳定性、动力性、经济性。因此，车身在汽车整车中占有举 足轻重的地位。国内外汽车生产的实践表明整车生产能力的发展取决于车身的 生产能力，汽车的更新换代在很大程度上也决定于车身乜1 。现代轿车绝大多数都 采用承载式车身结构，车身的结构直接影响轿车的结构特性，因此，轿车车身 的结构分析尤为重要，本课题的研究内容也以轿车车身为主。轿车车身结构必 须有足够的强度以保证其疲劳寿命，足够的静刚度来保证其装配和使用要求， 同时应有合理的动态特性以达到控制振动和噪声的目的。应用有限元方法进行 第1 章引言 轿车车身结构静力分析、模态分析能有效地满足轿车车身结构设计的要求晴1 。 广义的白车身通常指已经装焊好但尚未喷漆的白皮车身，是车身结构件和 覆盖件的焊接总成，此外还包括前后板制件和车门，但不包括车身附属设备及 装饰件。狭义的白车身定义为除车门等开闭件和前后板制件之外的车身焊接总 成。车身结构件和覆盖件焊接在一起即成为车身焊接总成，该总成必须保证车 身的强度和刚度，它可以划分为地板、顶盖、前围、后围、侧围等几个总成。 用以进行刚度分析和台架试验的车身结构通常都是不包括开闭件的车身焊接总 成，因此本课题研究过程中所用自车身是指狭义的白车身。 对于轿车车身结构而言，从车身结构设计和受力状况划分，可划分为非承 载式( 有车架) 、承载式( 无车架) 以及半承载式( 车架和车身刚性连接) 三大 类型。 1 非承载式 货车与在货车的二类或三类底盘基础上改装成的大客车和专用汽车以及大 部分高级轿车，都装有单独的车架，此时车身系通过多个橡胶挚安装在车架上， 当汽车在崎岖不平的道路上行驶时，车架产生的变形由橡胶垫的挠性所吸收， 载荷主要由车架来承担，因此，顾名思义这种车身结构应该是不承载的。但实 际上，由于车架并非绝对刚性，所以车身仍在一定程度上承受由车架弯曲和扭 转变形所引起的载荷。图1 1 所示为轿车非承载式车身结构。 非承载式车身的优点在于：车架可以较好的吸收或缓和来自路面的冲击载 荷，降低车身的振动和噪声；在发生碰撞时，车架可以对车身起到一定的保护 作用；在生产过程中，底盘与车身可以分开装配，最后总装到一起，既町以简 化装配工艺，又便于组织专业化协作；便于底盘各总成和部件的安装，形成较 为独立完整的汽车底盘系统，可很方便的更改车型或改装成其他专用车辆。 该结构的缺点在于：由于车身基本不参与承载，故车架必须保证足够大的 强度和刚度，从而使整车白重增大；由于车架位于车身和底盘之间，车身地板 一定在车架平面以上，故整车高度增大；车架纵梁的生产必须具备大型压床以 及专门的焊接、检验工装模具和夹具，设备投资和基础建设费用较高。 第l 章引言 ：一：8 一、。 轿车非承载式车身 2 承载式 为了进一步减轻汽车自重和高度，使车身和整体结构更加台理，在轿车、 大客车以及厢式货车上广泛采用无车架的承载式车身。图1 2 所示为轿车承载 式车身结构，圈l - 3 所示为大客车承载式车身结构。 璐 褊 闰12 轿车承载式车身倒1 3 人算下乐载式1 = 身 承载式车身的主要缺点正好与非承载式车身的优点相反，主要在于：由于 取消了车架，来自悬架和传动系的振动和噪声将直接传 车内，引起车厢的空 腔共鸣，会使乘坐舒适性恶化；改型较困难。 第1 章引言 该结构下车身将承载主要载荷，凼此必须保证车身具有足够的强度和刚度。 车身强度分析、弯曲和扭转刚度分析是整牟丌发没计过程中必不可少的环节。 3 半承载式 半承载式是一种过渡型的结构，车身下部仍保留有“车架”，不过它的强度 和刚度可稍低于非承载式的车架。这种结构形j 芏主要m 现在大客车r ，图i4 所示为半承载式大客车车身，车身骨架的下端与车架纵粱两侧悬伸的横梁( 俗 称牛褪) 刚性相连。这种结构的主要特点是：车身下挪与底架组合为 整体， 车身也能分担部分弯曲和扭转载荷。m 于此种车身结构形式还保留有底架，因 此整车的轻晕化仍受到限制。 幽14 、 琅载式人客车下身 本课题的研究对象为轿车车身，且为轿车l 常见的全承载式车身。本课题 即是对某自主研发轿车白车身壳体进行结构静态刚度分析以及优化研究允分 利用现有有限元软件剥轿车白车身壳体进行分析，在产品设计阶段有敬预估其 结构特性，并对主断面的截面几何特性j 车身刚度的关系进行深入研究，以期 对后续开发车型的设计起 0 指导作用。 车身强度和刚度分析贯穿于现代轿车车身结构设计的整个过程。汽车零部 件f l 匀强度大小将直接影响汽车的有效使用寿命，零件的局部应力集中将导致零 件的局部丌裂甚至断裂。 一般情况下，汽车在静载荷作用下零部件不会拉生丌裂 或断裂，在为静载荷几倍甚至几十倍的动载荷作用下，汽车的零部件和总成搬容 易产生塑性，变形、裂纹甚罕断裂，使汽车零部件或总成的功能失效c 车身剐度下 第1 章引言 足，将会引起车身的门框、窗框、发动机舱1 7 和行李箱口等的变形，导致玻璃 破裂和车门卡死等。低刚度必然伴随有低的固有振动频率，易发生结构共振和 声响，并削弱结构接头的连接强度。此外，还直接影响安装在其上的底盘总成 的相对位置和正常工作”“。而且对车身结构的可靠性和耐久性、车身n v h 性能、 结构轻量化、车身密封性、以及车身动力特性等也会造成影响。 现代轿车车身结构设计的特点是： ( 1 ) 轻量化成为车身结构设计所普遍追求的目标“”。轻量化的研究最早 是从沃尔沃汽车公司的l c p 2 0 0 0 ( t h ev o l v o l i g h t c o m p o n e n t p r o j e e t ) 丌始韵。虽 然它的出现是七十年的两次石油危机造成的，但德国保时捷( p o r s c h e ) 美国分 公司推出的u l s a b 车身( 如图l5 ) 和奥迪汽车公司推出的a u d ia 8 铝制车身 却完全地表明，在激烈的市场竞争中，设计出质量更轻、成本更低的车身已成 为一种有力的竞争手段。 圈15 保时捷( p o r s c h e ) u l s a b 轿乍车身结构 ( 2 ) 舒适性和安全性仍是车身结构设计中所考虑的主要内容。八十年代以 来，承载式( 包括带有副车架的) 车身结构形式已成为轿车车身的主要结构形式 而这种车身结构形式所带来的乘坐舒适性的影响，又重新吸引了众多车身工程 人员的注意。承载式车身结构形式的采用不仅对舒适性有影响，而且对安全性 也有影响，随着公众对安全性认识的提高，安全性能也成为一种有力的竞争手 段。 ( 3 ) 利用现代车身工程手段，缩短车身结构的开发周期。缩短整车的开发 周期，已成为各汽车制造商提高自身竞争力一项重要举措。车身结构开发周期 的缩短，不仅可以节省产品开发费用，还可以提高企业对瞬息万变的市场的适 应性，在市场竞争中以快取胜。 第1 章引言 ( 4 ) 在汽车车身结构设计过程中，设计与分析并行。车身结构分析参与车 身结构设计的各个阶段，贯穿整个设计过程，从一开始的构造选择，为结构设 计提出具体的性能参数要求，到具体设计方案的比较确定，设计方案的模拟试 验。这样确定的车身结构设计方案，基本上就是定型方案，据此试制而成的样 车，只需一定的验证试验即可定型。这样，车身的研制周期被大大缩短了。 ( 5 ) 优化的思想在设计的各个阶段被引入。轻量化的要求和对舒适性及安 全性要求的不断提高，使车身设计的难度越来越大，优化设计的思想能有效地 缩短轿车车身的开发周期。 对应于现代轿车车身结构设计的以上特点，现代轿车车身刚度分析就越来 越重要。现代轿车车身刚度分析贯穿于车身结构设计的整个过程的每一个方面， 对轿车车身的诸多方面都有很大的影响，比如车身结构可靠性和耐久性、车身 n v h 性能、结构轻量化、车身密封性、轿车的静态和动态特性、以及车身动力特 性等。 国外对轿车车身刚度的分析主要有：轿车白车身及其组成部件对整车刚度 的贡献瞄1 ，车身各部分t 型接头的模拟对整车刚度分析的影响哺3 ，整车车身的刚 度分析灵敏度研究h 1 ，车身刚度对噪声、振动等的影响哺3 ，以及车身轻量化的研 究等。 国内对轿车车身刚度的分析有：牛腿对车身结构强度和刚度的影响，轿 车车身刚度分析n ，轿车车身结构概念模型中接头的模拟2 j ，车身常用薄壁构 件的刚度分析n3 | ，轿车车身静态特性分析，轿车车身部件的结构刚度分析n 制， 轿车车身模态分析及优化设计n 副n 础等。 1 2 主要研究内容 车身结构主断面是是对车身结构方案的具体描述，分布在车身的各个位置 以决定车身结构设计。车身结构设计合理与否直接受限于结构主断面的设计， 结构主断面是车身结构设计流程中的一条主线，线框图的绘制、油泥模型的制 作、结构设计的详细建模都离不开主断面的设计，在整车产品研发过程中从结 构设计、分析校核到试验试制都起到关键的控制作用。车辆的结构方案即车身 结构主断面，直接关系到所设计车辆的强度刚度及车辆的制造工艺性。构成白 车身骨架的纵梁、侧围a 柱、b 柱、c 柱、上边梁以及门槛等的白车身主断面 6 第1 章引言 对整车的强度刚度起着决定性的作用。车身刚度大小直接影响车身的使用性能， 适宜的车身刚度不仅是确保操纵稳定性的条件，而且可获得良好的舒适性；而 过大的刚度，则会使得车重增加、性能降低、成本加大。 从前述分析可知，白车身刚度对整车刚度的影响至关重要。要保证整车刚 度符合生产制造以及使用等要求，首先必须确保自车身在c a e 静态刚度分析和 刚度试验条件下得到的刚度数值达到一定水平。因此，本文主要就自车身静刚 度分析展丌工作，从而实现对整车刚度的优化分析。 本课题将利用企业丰富的设计资源( 包括已拆解车型和整车数模) ，结合某 车型开发实例，首先对该车型用n a s t r a n 软件模拟分析白车身弯曲刚度、扭 转刚度和自由模态，进行白车身刚度灵敏度研究，确定对车身刚度影响显著的 关键位置；然后针对敏感位置结构断面参考其它车型改变其断面几何特性，重 新分析白车身刚度，总结整理数据建立断面几何特性与白车身刚度的量化关系， 并研究典型结构主断面截面积或主惯性矩的经验取值；将分析数据反馈回来改 进断面结构设计，在车身轻量化原则下保证车身的刚度要求，通过综合分析和 总结车身结构主断面对白车身刚度的影响，研究相关汽车结构的改进进行，达 到有效提高设计成功率，缩短整车开发周期，降低试验费用的目的；最后总结 车身结构主断面对白车身刚度的影响，阐述该研究在汽车开发中的作用和应用 方法。 本课题研究对象为某三厢家庭轿车( l 7 1 6 0 ) ，主要研究方法及内容如下： 1 、利用车身设计部门提供的整车几何数学模型，建立l 7 1 6 0 白车身壳体有 限元模型，对白车身进行初始刚度和模态分析。 2 、在整车几何数学模型基础上做出白车身主断面图，并计算各主断面几何 特性( 断面面积和主惯性矩) 。 3 、修改各主断面几何特性并进行白车身刚度分析，与初始刚度计算结果比 较，找出对刚度影响显著的敏感断面。 4 、针对敏感断面，多次修改其断面几何特性并进行白车身刚度分析，建立 主断面几何特性与白车身刚度的关系曲线。为定性分析车身结构主断面对刚度 的影响和综合优化设计提供参考。 5 、根据研究结果对l 7 1 6 0 车型提出结构优化改进意见并反馈到生产实践进 行检验。 综合以上内容，本课题工作流程如图1 6 所示。有限元模型的前处理主要在 第1 章引言 h y p e r m e s h 软件中进行，求解及后处理主要在p a t r a n 和n a s t r a n 软件中 完成。 1 3 分析软件选择 图1 6 本课题1 ：作流程图 本课题涉及分析软件主要有h y p e r m e s h 、m s c p a t r a n 、 8 第1 章引言 m s c n a s t r a n 。 h y p e r m e s h 是美国a l t a i r 公司的有限元前后处理软件。有很高的有限元 前、后处理功能，可以用它建立有限元和有限差分模型，观察计算结果和进行 数据分析。在该软件中进行前处理，可以快速按照工程人员的意图来实现网格 划分、材料定义、边界条件定义等，图形显示效果较好。而且h y p e r m e s h 软件 同流行的建模和结构分析软件，例如u g 、c a t i a 、a n s y s 、n a s t r a n 等， 可以实现很好的数据传输。 m s c p a t r a n 和n a s t r a n 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分 析于一体的大型通用有限元分析软件。覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户 提供了方便的模块化功能选项，包括静力分析、模态分析、热应力分析、动力 学分析模块、热传导模块、流固耦合分析模块、多超级单元分析和设计灵敏 度及优化分析等。m s c p a t r a n 是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分 析仿真系统，m s c n a s t r a n 是求解器，由世界上最大的有限元分析软件公司 之一的美国m s c 公司开发，在世界范围内与先导的c a d c a m 软件供应商建立 了紧密而重要的合作关系，从而实现了并行工程和d g a 技术，能够保证用户在 同步的工程环境下从一个或多个c a d 系统中获取c a d 信息。这些先导的 c a d c a m 软件包括：p r o e n g i n e e r , h y p e r m e s h ，c a d d s c a t i a u g ，s o l i d w o r k 等。以上读入的c a d 信息包括几何点、曲线、曲面和实体。其中对于u g 的特征 不但可以读入m s c p a t r a n ，而且可以在m s c p a t l l a n 中根据分析的要求进 行更改，随后特征仍可返回u g 供c a d 设计修改。m s c n a s t r a n 支持多种并行求 解方法，如共享内存式单机多c p u 并行s m p ，分布式多机多c p u 并行d m p 等。求 解方法包括：线性方程组的求解、实特征值求解、复实特征值求解、非线性方 程组迭代求解，以及多种矩阵优化算法和带宽优化算法。 9 第2 章白下身静刚度和截面儿何特性理论 2 1 引言 第2 章白车身静刚度和截面几何特性理论 本课题讨论的核心是白车身结构主断面的截面几何特性与白车身刚度的关 系，显然断面的截面几何特性和白车身刚度是本文研究的两个主要方面。本章 将阐述支持课题的主要理论基础，包括白车身静刚度理论和截面几何特性理论。 2 2 白车身静刚度理论 2 2 1 白车身静刚度的定义 刚度的概念是结构在正常工作时的许可变形。用刚度表示结构抵抗结构变 形的能力，是结构在外力作用下发生单位变形所需要的力。评价一辆车的好坏， 车身是关键因素。一般车身结构设计的主要问题是刚度问题，其次是强度问题。 如果车身结构的刚度已满足要求，则车身结构的强度基本能满足要求n 9 。 车身刚度有两种，静念刚度和动念刚度。车身静态刚度一般包括弯曲刚度 和扭转刚度两种。车身的弯曲刚度可由车身前后的变形量来衡量，车身扭车刚 度可由车身扭转角、前后窗和侧框的对角线变化量及车身锁位等指标来衡量。 2 2 2 白车身静刚度分析的重要性 车身是轿车的关键总成。车身工程己成为近百年来汽车工程中最重要的领 域阳3 ，它是驾驶员的工作场所，也是容纳乘客和货物的场所。车身应对驾驶员 提供便利的工作环境，对乘员提供舒适的乘坐条件，保护他们免受汽车行驶时 的振动、噪声、废气的侵袭以及外界恶劣气候的影响，并能保证完好无损地运 载货物且装载方便。从结构上讲，它的构造就决定了整车的造型，总布置及各 种附件的安装和固定。更重要的是，它的力学特性能直接决定着整车的力学特 性。尤其是承载式车身，没有独立、完整的车架，发动机、底盘完全安装在车 l o 第2 章白车身静刚度和截面几何特性理论 身上，因此，车身承受着全部载荷。据分析，白车身对整车的刚度贡献达到6 0 以上阳1 。白车身刚度分析很大程度上可反映整车刚度性能。 现代轿车大多采用承载式车身结构，要求车身能够承担使用过程中的各种 载荷。如果刚度不足，会引起车身的门框、窗框、发动机舱口和行李箱开口等 处变形过大，导致车门卡死、玻璃破碎、密封不严以至渗阿、漏雨以及内饰脱 落等。而且，如果车身刚度较小，还会造成车身振动频率偏低，易发生结构共 振，并削弱结构接头的连接刚度，最终直接或间接地影响汽车的行驶平顺性、 舒适性、操纵性等各种性能。此外，还会影响安装在车身上的总成的相对位置 雎1 。因此，现代轿车的设计都是在汽车质量尽量小的前提下，尽量获得合理的 汽车刚度。轿车车身要求能够承担使用过程中的各种载荷，主要包括扭转、弯 曲和碰撞等。轿车车身壳体的刚度特性反应了车身在整体上抵抗扭转和弯曲载 荷的能力，反应了轿车车身的整体性能。因此，轿车车身壳体的刚度分析有着 十分重要的意义。 轿车车身刚度对轿车车身结构功能可靠性具有重要影响。轿车车身刚度直 接影响轿车车身的承载功能。轿车车身整体刚度低，将使轿车车身的整体承载 能力降低。轿车车身的局部刚度低，将使车身局部变形增加，车身的局部安装 等功能丧失。轿车车身刚度低，直接影响轿车的疲劳强度，使轿车的可靠性降 低，局部的失效和整体的失效都将大大降低轿车的整体使用性能，使轿车的整 体性能指标降低。 车身洞口变形受车身刚度的影响最大。车身上的洞口主要有车门、车窗、 发动机舱和行李舱等。车身洞口部分的变形大，会造成车门、发动机舱盖和行 他舱盖开关困难，对灰尘和和雨水的密封性不好等不良状况，引起车身结构功 能可靠性的失效。因此，车身洞口部分的变形在各种工况下都不能超过限值。 车身刚度值及其分配应能保证车身各洞口在各种工况下的变形不超过限值，一 般是要求车身的刚度值应尽可能的大，并且要分配合理。 除了整车的扭转刚度值以外，对车身的结构可靠性来说，车身扭转刚度的 分配也是一项重要的指标。为了防止局部疲劳问题，应避免车身扭转刚度沿车 身纵向的分配出现不合理的剧烈变化。 轿车车身刚度还直接影响轿车车身的结构安全性。轿车车身整体刚度不合 理，使轿车车身的碰撞安全性降低，轿车车身的刚度分配应该遵循一定的规则。 一般来说，发动机舱是j 下碰的吸能区，因此，刚度应按照碰撞的要求使其变形 第2 章白车身静刚度和截面儿何特性理论 最大限度地吸收碰撞的变性能量，并使乘客所受到的冲击小于安全法规规定的 最大范围。乘客舱的刚度应尽量提高，从而能保证乘客的空间，使乘客在碰撞 的过程中尽量免受冲击，以达到保护乘员的作用。总之，保证较高的轿车车身 的整体刚度，有助于改善轿车的结构安全性能使轿车车身结构安全性能指标得 到提高。 轿车车身刚度影响轿车的n v h 性能。轿车的n v h 性能，现代是很热门的研 究方向，它包括噪声( n o i s e ) ，振动( v i b r a t i o n ) 和行驶平顺性( h a r s h n e s s ) 啪3 。 车身受到振动激励后会产生车身总体的弯曲振动、扭转振动或各种振动的复合 形式，同时还会引起板件产生局部振动，产生机械性噪声。当激励频率与结构 固有频率吻合或接近时，将发生共振，这种振动造成车身内部的低频噪声( 隆隆 声) 。此外，还可能产生车厢( 空腔) 共鸣。合理的车身刚度可以较好地改善由车 身结构产生的振动噪声问题，使轿车的舒适性能得到很好保证瞳1 。 承载式轿车车身几乎承载了轿车使用过程中的所有各种载荷，是轿车的最 重要的组成部分之一，轿车车身刚度对轿车整体的性能指标有着全面直接的影 响，轿车车身的合理的刚度值将使轿车的整体性能指标得到全面的提高。因此， 轿车车身的刚度问题应得到充分的重视，目前国外对轿车车身刚度的研究己经 非常重视，轿车车身刚度的研究己是车身丌发的最重要指标之一，而国内对轿 车车身刚度的研究还没有得到足够充分的重视，但目前的趋势是重视程度越来 越高，因此轿车车身的刚度研究有着很好的前景。 2 2 3 白车身静刚度分析方法 白车身刚度分析方法主要包括试验分析法和仿真分析法。 1 实验分析方法及其优缺点 实验分析方法对刚度的研究是比较传统的分析方法，分析的方法过程是将 实车进行实验，分析测量实车的刚度。实验过程中，将轿车的车身按照使用过 程中的约束条件和载荷条件进行模拟工况实验，采用相关的实验设备进行测量， 根据己知的计算公式，得到轿车车身的刚度值。再根据得到的刚度条件，进行 结构的改进分析实验，使整车的结构刚度更加的合理，从而使轿车车身刚度得 到优化。 通常情况下，轿车车身的总体刚度是轿车车身整体，在各种典型受载情况 1 2 第2 章白车身静刚度和截面几何特性理论 下的一种综合能力的反映，不能用一个简单的数值来表示，一般均以沿车身纵 向的载荷与变形分布关系表达。但为了使用和比较上的方便，也可以在某些假 设的条件下，求得轿车车身刚度的特殊表达式n 。 轿车车身的刚度测量通常在白车身上进行，测量点位置的选择可以视车身 的具体结构而定，通常将测点设置在车身的主要结构件上，如前纵梁、门槛梁、 传动轴通道和后纵梁上。每根梁上的测点数量根据梁的长短和结构的连接方式 选取，总量一般为4 0 - 5 0 个，间距一般为3 0 0 , - 一3 5 0 m m ，如图2 1 。 测点 图2 1 刚度测量点布置示意图 轿车车身扭转刚度的测量： 将轿车车身放置在试验台架上，轿车白车身一般未装前后风档玻璃，无四 门两盖，装有前后翼子板，装有副车架和前后悬架，但悬架弹簧及减振器被刚 性固定，用加强板焊住。通过加力装置在车身前悬架支撑点施加扭矩，自车身 通过前后轴颈固定在加载装置上，见图2 2 。 图2 。2 轿车车身扭转刚度测餐约束形式示意图 位移传感器布置，车身底部测量点主要布置在| j 后纵梁、门槛等承载件上， 间隔3 0 0 m m 3 5 0 m m ，前后桥上也布置测量点，该处的测点是确定前后桥之间扭 第2 章白车身静刚度和截面几何特性理论 角的基础，每个测量点上布置一个传感器。另外在前后窗、前后门对角线上交 叉布置传感器，用来测量对角线变形量。 布置在各测点的垂直位移传感器，可以测得各测点的垂直位移量。经换算 处理后得到各测点所在的车身横断面上的扭角变形，从而绘得扭转角得变形图。 洞口变形的测量直接就可以由位移传感器的测量值获取。轿车车身的扭转刚度 是沿车身纵向分布的，为了分析上的便利，可以假定轿车车身是一个具有均匀 扭转刚度的杆体，轿车车身平均扭转刚度的计算公式见式( 2 1 ) 。 g j = m t 0( 2 1 ) 其中： g j 轿车车身的扭转刚度( 单位：n m m d e g ) m t 轿车车身的扭转载荷扭矩值( 单位：n m m ) 0 轿车车身在扭转工况下的前后轴问相对扭转角度( 单位：d e g ) 一般白车身扭转刚度( g j ) b 和整车扭转刚度( g j ) p 的关系见式( 2 2 ) 乜刳： 堕= 1 2 2 ( g j ) a r ) 9 、 另外还有用公式( 2 3 ) 作为轿车车身的扭转刚度g j 的计算公式。 g j - - t 入0( 2 3 ) 式中： g j 轿车车身的扭转刚度( 单位：n m m d e g ) 入轿车轴距( 单位：m m ) t 轿车车身的扭转载荷扭矩值( 单位：n 姗) 0 轿车车身在扭转工况下的f j 后轴问相对扭转角度( 单位：d e g ) 轿车车身底部两侧测点的连线绕车身纵向的扭转角，沿车身纵向的分布曲 线，也是评价车身扭转刚度的重要依据，由此曲线还可看出扭转刚度沿车身纵 向的分布。 轿车车身上的洞口主要有车门、车窗、发动机舱和行李舱。车身洞口部分 的变形大，会造成车门、发动机舱盖和行他舱盖开关困难，对灰尘和和雨水的 密封性不好等不良状况，因此，车身洞口部分的变形大小也是衡量车身刚度的 参考因素。轿车车身刚度直接影响车身洞口的变形量的大小。一般要求车身刚 度值及其分配应保证车身各洞口在各种工况下的变形的不超过限值，一般是要 求车身的弯曲、扭转和横向弯曲刚度值尽可能地大。 1 4 第2 章白车身静刚度和截面几何特性理论 轿车车身弯曲刚度的测量： 轿车车身的弯曲刚度测量的加载方式通常有中央一点加载和按乘员载荷加 载两种方式，可仍然将轿车车身放置试验台架上，约束前后悬架支撑固定点处 的所有自由度，见图2 3 。分别在前座椅和后座椅和行李箱处施加载荷，通过 对各测点垂直位移的测量，可得到变形分布图。同时为获得易于使用的轿车车 身弯曲刚度值，也可假定车身整体是一根具有均匀弯曲刚度的简支梁( 如图 2 4 ) ，用中央一点集中加载的方法求得前后轴问的弯曲刚度值，按照材料力学 的公式计算简支梁的弯曲刚度瞳引。两种加载的方法都可以根据加载的力和最大 的弯曲挠度值计算得到轿车车身的弯曲刚度值。 z 图2 3 轿车车身弯曲刚度测餐约束形式示意图 一 f i 、 l o | ， x - b a 当x b 时： 当b x l 时： 图2 4 轿车车身弯曲刚度计算示意图 日：墅堕二兰二塑 6 l z ( 2 4 ) 第2 章白车身静刚度和截面儿何特性理论 口：丝堕! 兰二尘丝二! 尘二塑 6 l z ( 2 5 ) 其中： e i 轿车车身弯曲刚度( 单位：n m m ) f 集中载荷力( 单位：n ) l 前后悬挂固定座支撑点纵向距离( 单位 m m ) b ，a 分别是前后支撑点与载荷的距离( 单位 m m ) z 垂直方向弯曲挠度( 单位 m m ) x 计算z 值点到前支撑点与集中载荷的距离( 单位：m m ) 一般白车身弯曲刚度( e i ) b 和整车弯曲刚度( e 1 ) p 的关系见式( 2 6 ) 拉羽： 躁= 1 3 1 7 ( 2 6 ) 轿车白车身的弯曲刚度也有用车身载荷f 与最大弯曲挠度z 的比值来衡量 的，此时的弯曲刚度计算公式为： 车身的弯曲刚度= 车身弯曲集中载荷f 最大弯曲挠度z 此时弯曲刚度的单位是n m m 。 轿车车身刚度的实验分析方法，是在实验台上，针对白车身模拟实车工况， 按照实际工况约束边界条件和施加载荷条件，应用相关的实验器材实际测得白 车身的变形情况，根据己知的公式和经验求得实验的相关数据。再与己知的类 似车型相关数据进行比较分析，对刚度的薄弱环节根据最佳的修改形式，提出 改进的方案，对白车身进行优化设计。由于轿车车身刚度的实验分析方法要求 对实车白车身进行实验，因此实验的结果是相对准确的，具有说服力的。当然 由于输入条件的不准确性其结果与实车道路试验还有一定差距。同时实验分析 的方法对实验的场地等条件的要求较高，实验的周期长，实验费用较高，劳动 强度较大；由于实验条件和方案选择及实验样车选定的不同，因此实验的结果 也具有一定的不确定性，但实验分析一般可以重复修订。 2 仿真分析方法及其优缺点 轿车车身刚度的仿真分析方式是建立轿车白车身的力学模型，进行结构简 化，然后离散化处理，划分有限元网格，模拟接头形式和焊接形式等，模拟实 验工况加载计算，从而得到相关的数据，然后比较分析。根据优化修改方案进 1 6 第2 章白车身静刚度和截面儿何特性理论 行薄弱环节的优化设计，使白车身的整体刚度更加合理。 与用实验分析的方法对轿车车身刚度进行分析相比，用模拟分析方法能在 设计阶段就发现可能出现的问题，并对可能出现的问题提出解决方案，无疑节 约了设计成本，缩短了设计的周期。但同时，由于结构的修改和有限元模型模 拟的不精确，用模拟分析的方法对轿车白车身刚度进行分析还不能十分准确的 定量，还有很多不完善的地方，还不能作为设计的完全的依据，实车白车身刚 度的实验分析仍是必须，但己经不是分析的唯一手段。 用模拟分析的方法对轿车车身结构可靠性能进行分析，己经解决了很多原 来只能用实车白车身实验才能解决的问题，而且这个趋势将是越来越明显，范 围越来越大。因此，用模拟分析的方法对轿车车身结构可靠性能进行分析，是 大有前途的，前景十分看好，当然还有很多的路要走。 模拟分析方法的优点包括：缩短设计周期，降低设计成本，能够在问题出现 之前有一定的预见性等。但是模拟分析的方法还不能完全意义上地代替所有的 实车实验分析。模拟的方法不能完全模拟所有可能产生的技术问题，由于计算 机的资源和技术手段的限制，模拟的方法不能十分精确的定量计算出结果。尽 管如此，模拟分析的方法仍然能解决大量的实际问题，通过同等条件下的对比 分析定性的分析出车身结构刚度的薄弱环节和刚度不合理的结构，为轿车车身 结构设计指出需要进一步解决的问题所在。因此，模拟分析的方法在轿车车身 设计过程中有着十分重要的作用，而且它将发挥出越来越明显的作用。 2 3 截面几何特性理论 轿车车身大都采用框架结构，其承载骨架采用受力最为合理的薄壁空心截 面，如图2 5 所示为车身a 柱断面。车身结构断面作为平面图形具备一般平面