BZ4-22《汽车车身先进设计方法与流程》

1、目录第二章第二章 车身总布置设计车身总布置设计第三章第三章 车身结构设计方法及流程车身结构设计方法及流程第四章第四章 车身强度及刚度设计车身强度及刚度设计第六章第六章 车身安全性能设计车身安全性能设计第七章第七章 优化设计优化设计第八章第八章 车身实验标准和流程车身实验标准和流程第五章第五章 车身车身NVH分析及控制分析及控制第一章第一章 车身设计方法及流程概述车身设计方法及流程概述第一章第一章 车身设计方法及流程概述车身设计方法及流程概述1.1 1.1 车身设计方法的发展历程车身设计方法的发展历程 直到第二次世界大战爆发前，车身的款式都一直是发展的重点，第二次世界大战爆发后，汽车车身设计过程

2、中开始考虑空气阻力、审美学等，并把人体工程学、风洞实验应用带车身设计中，汽车车身设计方法真正成为科学与艺术的结合。再次阶段车身设计过程仍然是以手工为主。20世纪70年代至今，随着计算机软硬件技术和先进制造技术的迅速发展，汽车设计才进入数字化时代。主要特点是利用计算机和相关软件完成虚拟造型设计、虚拟结构设计、虚拟分析、虚拟实验、虚拟制造等车身开发工作。车身开发过程为：内外部造型效果图-内外部CAS表面-油泥模型-工程可行性分析-详细工程设计-工程分析-零件图的绘制-样车试制。1.2 1.2 现代主流车身设计流程现代主流车身设计流程 由于在不同的企业在资源及技术储备上不相同，因此车身开发流程也有着

3、差别和各自的特点。以下介绍具有一般性的现代车身设计流程：1.2.1 1.2.1 产品规划、定义阶段产品规划、定义阶段1）竞争车型对比研究：在进行充分的市场调研后，定位车型的细分市场。选择竞争车型，通过对竞争车型进行拆解、测量、实验、虚拟分析等手段获取整车尺寸参数和性能参数等。2）整车参数性能目标定义：对比分析竞争车型，结合市场定位和企业自身的技术状况，定义新车型的整车尺寸参数和性能目标。1.2.2 1.2.2 造型阶段造型阶段1）效果图2）CAS表面：造型工程师根据效果图，利用专业造型软件在计算机上完成整车内外造型表面的绘制。3）油泥模型：利用CAS表面，通过数控加工中心完成内外造型表面模型的

4、初步制作，造型师根据美学和工程可行性对油泥模型进行细化修改。4）A级曲面设计：油泥模型经过评审冻结后。采用精密测量设备扫描内外表面。从而得到内外表面的点云数据，在利用专业软件按照企业的A级曲面标准完成A面设计，有条件的公司还会使用数控加工中心制作硬树脂模型。以验证A级曲面质量。1.2.3 1.2.3 详细可行性分析阶段详细可行性分析阶段1）典型断面优化设计：该阶段对车身关键区域、关键结构进行断面设计与优化，用于指导详细结构设计和结构验证。同时通过CAE来分析典型结构断面的弯曲和扭转刚度等性能指标。2）主体方案性能分析与优化：对车身主体方案进行可行性分析及优化，使其满足功能要求。3）工艺可行性分

5、析：对主体方案进行工艺可行性分析，使其满足四大工艺要求。4）法规与企业标准可行性研究：对于整车参数和总布置方案进行分析，使其满足国家法规要求和相关的企业标准。1.2.4 1.2.4 详细工程设计阶段详细工程设计阶段 根据详细工程可行性分析，进行三维结构设计，同步进行虚拟分析、虚拟实验和虚拟制造同步工程分析，优化车身结构，满足整车性能目标、国家法规和相关的企业标准。1.2.5 1.2.5 设计验证阶段设计验证阶段1）软工装样车制造：根据详细工程设计阶段发布的数据进行软工装夹具、模具制造、完成零件盒车身的制造，并通过三坐标测量和检具进行质量控制。2）实验验证：通过外观品质评价、认证试验、可靠性试验

6、等，对各项性能指标进行验证，检验其能否i满足开发目标的要求，根据实验结果对设计数据进行修改，并发布最终数据。1.2.6 1.2.6 制造阶段制造阶段该阶段主要进行正式工装模具、夹具制造和生产线调试等工作，从小批量生产，量产爬坡阶段，一直到满足批量生产节奏的要求，整个车身的设计开发主体工作完成。车型上市后，根据实际使用中发生的各种问题，需要对原有设计进行优化改进。1.3 1.3 以车身为核心的绿色设计关键技术以车身为核心的绿色设计关键技术1.3.11.3.1汽车产品生命周期再循环汽车产品生命周期再循环 在产品整个生命周期内，着重考虑产品的环境属性，包括自然资源的利用、环境影响、可拆卸性、可维护性

7、、可回收性、可重复利用性等，并将其作为主要涉及目标，实现产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等基础上。同时使产品满足生态环境目标要求。产品生命周期生态再循环示意图原材料设计开发生产制造使用维护报废回收产品生命周期生态再循环绿色设计绿色设计，也称为生态设计或环境意识设计，其基本思想是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计，将环境性能作为产品设计目标和出发点，力求产品对环境的影响为最小。绿色设计继承了DFX的设计概念，包含多种设计工具，如面向拆卸的设计DFD（Design for Disassembly ），面向回收的设计DFR。面向制造的设计DFM，面向装配的设计DFA等。1.

8、3.2 1.3.2 轻量化设计技术轻量化设计技术 减轻汽车自重是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一，但是车身结构的轻量化过程是一个复杂的多场交互式优化设计过程。评价车身轻量化的技术标准包括碰撞吸能状况，整车强度、刚度和模态，抗凹陷性能，空气动力学性能，减振、降噪、舒适性，可制造性。零件的合理布局以及生产成本等多方面的指标。1 1）高强度板材选用）高强度板材选用 常用于外板的有冷轧烘烤硬化板材、冷轧各向同性刚；常用于结构件的有HSLA（PH）冷轧析出强化钢，乘员保护区采用超高强度钢。在侧碰加强区采用超高强度钢，对于提高整车的强度和刚度性能会有明显的效果。 2 2）轻量化目标零件选择）轻量化

9、目标零件选择 在车身结构优化设计中，需要关注性能指标对某些结构参数的变化敏度。性能指标包括车身的扭转刚度、弯曲刚度和应变能等；而结构参数可以是车身的材料、板厚和横截面惯量等。对车身的扭转刚度关于车身零件板料厚度的灵敏度进行计算分析，以获得厚度修改的最佳数据，进而获得车身轻量化的最佳尺寸。由于灵敏度值体现了自变量（厚度）对函数值的影响程度，所以灵敏度绝对值越大，表示厚度变化对刚度及模态变化影响就越大。正灵敏度表示厚度与函数值变化方向相同，反之亦然。 3 3）轻量化优化设计）轻量化优化设计 结构优化轻量化设计：通过对车身零件结构的优化设计并结合高强度轻质材料的使用，一实现零件的小型化、薄壁化、复合

10、化；结构尺寸优化是一种比较简单和直接的轻量化优化方法，在优化设计过程中将结构的尺寸参数作为设计变量，由于该方法仅对结构单元的尺寸进行优化，所以一般不会对原结构进行较大改进，也不用于新结构形式的开发，通常用于后期的轻量化尺寸优化设计。 4 4）轻量化车身性能评估）轻量化车身性能评估 轻量化前后的车身性能比较集中在结构总质量、刚度和模态及碰撞性能等方面。优化计算约束条件的确定是以轻量化设计的要求为基础的，即保证车身结构的刚度和自然模态或碰撞性能不降低。因此，在弯曲刚度和扭转刚度的有限元计算中，通过设定相应位移测量点的最大变形量，来确保车身结构的弯曲刚度和扭转刚度的不降低；在自然模态分析中，设定一阶

11、扭转模态和一阶弯曲模态的频率值不低于原车型的响应频率值；在碰撞分析中，设定碰撞吸能量或最大加速度的极限值，以保证其碰撞性能不下降。1.3.3 1.3.3 模块化设计技术模块化设计技术 汽车模块化是“化繁为简、聚零为整”的技术，可降低整车生产成本、节约原材料、缩短产品开发和生产周期、实现汽车生产经营系统的价值最大化。 1 1）汽车模块化内涵）汽车模块化内涵：其主要以“模块化化采购”、“模块化装配”进行。 2 2）汽车模块化设计流程）汽车模块化设计流程3 3）车身模块化设计技术应用）车身模块化设计技术应用主要运用有：侧围分段模块化结构设计；保险杠的模块化结构设计；仪表台的模块化结构设计。用户需要分

12、析功能分析定义参数形成模块系列型谱制定模块选择模块组合分析计算满意否优化设计软件包有限元分析软件包机械设计软件包设计完成数据库与图形库NY修改1.3.4 1.3.4 可拆解性设计技术可拆解性设计技术 汽车产品可拆解性也成为可拆卸性，是衡量零部件可以从车辆上被拆卸或分解成为部件的难易程度。1 1）影响可拆解性的结构因素）影响可拆解性的结构因素：产品零部件数目、标准化程度、模块化程度、部件连接方式、使用环境状况和拆卸可达性等。2 2）可拆解性设计准则：）可拆解性设计准则：3 3）可拆解性评价方法）可拆解性评价方法拆解的结构性评价；拆解的经济性评价；拆解的环境性评价。4 4）可拆解性设计技术应用）可

13、拆解性设计技术应用例如仪表台可拆卸解性更改：仪表板连接基本性能要求分析；老车型仪表板螺纹连接结构分析；新车型仪表板卡扣连接结构设计。1.3.5 1.3.5 可回收性设计技术可回收性设计技术 可回收性设计是指在产品设计初期，充分考虑其零件材料的回收可能性、回收价值、回收方法、可回收结构及拆解工艺性等一系列与回收相关的问题，最终达到零件材料资源、能源的最大利用，并对环境污染最小的一种设计思路和方法。1 1）影响可回收性的材料因素）影响可回收性的材料因素：材料种类、材料的环保性、材料的兼容性、材料的回收性、材料的表面二次加工和材料标识等。2 2）可回收性设计准则）可回收性设计准则3 3）汽车材料可回

14、收利用性判定分析）汽车材料可回收利用性判定分析目前，对各种汽车材料的可回收利用性还只有一些定性判定标准，如：金属材料的回收性能优于非金属材料；金属材料中刚、铝的回收性能又优于其他金属；热塑性塑料的回收性能优于热固性塑料；电子电器设备难以回收等。热塑性树脂中，PP、PPC、TPO、PET等材料可直接回收利用，PE、ABS、PA、PBT、PET、PC、PVC等材料可降级回收利用，PPG（填充材料1/2in以上）、HDPE/PA等材料不易再利用；热固性树脂中，除PUR泡沫目前已具有可验证的回收再利用技术外，PUR、EP、PI、PF等材料都不可作原材料回收在利用；橡胶材料中，除EPDM目前具有可验证的

15、回收利用技术外，其他均不可作原材料回收再利用。4 4）非金属材料回收利用技术分析）非金属材料回收利用技术分析塑料、橡胶和玻璃灯非金属材料性质稳定、不易降解。优于再生技术或回收成本的限制，大部分非金属材料被直接填埋或焚烧，不仅浪费了大量的资源，不当处理也造成了严重的环境污染问题。非金属材料没有得到有效回收利用，是制约汽车回收利用率提高的主要因素。而轻量化是汽车材料的发展趋势，非金属材料在车上用量不断攀升，给回收利用工作带来啦巨大的挑战。废旧汽车塑料的回收利用技术预处理方法回收利用技术废旧汽车橡胶的回收利用技术废旧汽车玻璃的回收利用技术1.3.61.3.6绿色设计面临的问题绿色设计面临的问题 为到

16、达绿色设计的目标，设计开发人员可以利用多种方法，以求获得最优效果。但无论应用何种方法，研究人员应解决下面几个问题：降低车身质量不能影响汽车构架的强度和刚度；应用新材料不能增加汽车成本上的负担；应用新材料后的汽车在出厂后若发生损坏修复成本不能太高。1.4 1.4 面向质量的车身设计方法简介面向质量的车身设计方法简介 产品质量长期以来都是国家和消费者关心的问题。众多实践表明，设计阶段决定了产品的先天质量。目前，企业大多依靠设计流程和各种设计分析技术来保证设计质量。1.4.11.4.1车身设计质量控制对象车身设计质量控制对象1 1）质量内涵）质量内涵 质量是一个动态发展的概念，在不同的时代背景和主观

17、条件下，人们对质量存在着不同的理解。ISO 9000:2000将质量定义为：一组固有特性满足要求的程度。其中，“固有”是指事情本来就永久存在的特性；事物指实物，也可以是活动或过程；“特性”是可以辨别的特征，反映了事物满足要求的能力；要求可以是明示的、通常隐含的或必须履行的需求或期望。明示也就是通过技术规范、技术要求、质量标准在合同或说明书中明确规定的；通常隐含是指行业公认或道德约束下约定俗成的，有时通过调查才能识别；必须履行的是事物得以存在的价值。2 2）设计质量）设计质量 设计质量可以定义为：一组固有特性在转化为实物或活动过程中，满足要求的程度。套用质量的二维性，设计质量同样具有适用性和符合

18、性。适用性是满足广义客户需要的程度；符合性是指符合设计目标、设计规范和设计标准的程度。 对于实物产品来说，设计质量可以体现为产品或数模的功能和性能，性能包括结构性能工艺性能、操作性能。3）车身设计过程中的质量影响因素车身设计过程中的质量影响因素：设计需求、设计人员、设计工具、设计信息。4 4）车身设计质量控制对象）车身设计质量控制对象1 1）车身设计质量内部适用性）车身设计质量内部适用性 内部适应性首先是指设计结果的可制造性，设计数模或图样能否物理实现，是对产品设计的最基本要求，包括单件可实现性批量可实现性。内部适应性的主要控制内容有：冲压制造性；焊接制造性；涂装制造性；总装制造性。2 2）车

19、身设计流程）车身设计流程 设计流程的制定工作分为3个步骤：首先明确设计活动，包括设计活动的输入及提供者、输出及交付者；再规划设计活动的执行顺序；最后针对设计活动建立详细的质量标准、质量工具和使用流程。3 3）车身设计活动）车身设计活动车身布置车身布置：车身布置直接影响力整车的使用性能，在整车开发过程中，与造型设计同时进行。它以整车基本定义为输入条件，包括产品定义整备质量、基本尺寸、轴荷分配、驱动形式发动机布置、乘员空间、行李箱容积、整车基本构造、性能要求等。车身布置主要分为轮罩形状和地板布置、发动机舱和前围布置、车室内部及后围布置、其他仓储类零件布置。车身力学分析车身力学分析车身结构刚度车身结

20、构刚度 汽车刚度包括整体刚度和局部刚度。车身整体刚度设计包括车身刚度优化、灵敏度分析、接头优化。局部刚度主要关注车身支撑部位刚度、板壳零件刚度及杆件截面的应力集中问题。车身结构动力学性能车身振动特性动力学性能设计整体振动模态部件模态分析车身板壳局部振动模态振动响应特性主观评价与测量结构动力学设计结构设计方案设计结构研究结构完善动力学分析动力学分析 在分析车身刚度的同时，可以进行车身结构动力学分析，主要分析内容如下：车身车身NVHNVH特性研究特性研究 NVH是指Noise（噪声）、Vibration（振动）和Harshness（声振粗糙度），是人体触觉、听觉和视觉等感官的综合感受。NVH特性指

21、标有车身系统弯曲刚度和扭转刚度、模态特性、声学振动灵敏度、噪声衰减特性、动力总成振动及其辐射噪声等。 在车身详细结构设计中，为了降低噪声和振动，工程上经常会采取一些降噪吸声措施。常用指标如下图：降噪吸声措施常用指标降噪吸声措施常用指标NVH隔振吸声措施应用区域和材料隔振吸声措施应用区域和材料车身抗撞性设计车身抗撞性设计 汽车碰撞通常分为正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞、翻滚和行人保护等。根据要求对象不同，汽车安全分为主动安全和被动安全。主动安全是指汽车所具有的减少交通事故发生的能力；被动安全是指发生交通事故时，保护乘员免受伤害的能力。车身碰撞性设计的主要内容是合理组织结构吸能和碰撞载荷的传递路径优

22、化各部分车身结构的刚度后，对主要梁结构和接头结构进行优化，以达到乘员舱的刚度要求。不同碰撞形式下的刚度组织要求不同碰撞形式下的刚度组织要求车身疲劳寿命分析车身疲劳寿命分析 车辆在行驶过程中，受到路面不平产生的交变载荷作用易引发车身疲劳强度问题，疲劳和断裂是导致车身承载结构破坏的主要原因。疲劳强度影响因素和评价指标疲劳强度影响因素和评价指标 车身的疲劳寿命分析需要完成以下任务：首先建立整备车身模型，并以此为基础建立整车刚柔组合模型，用于动力相应分析；通过载荷通道获得危险车身通道载荷；通过各种循环事件载荷进行初步疲劳应力计算，识别危险循环事件载荷；综合循环事件载荷进行车身系统疲劳寿命计算，得出基于

23、参考名义应力的安全系数。该项工作需要从项目之初一直到项目结束。1.4.21.4.2车身相关的质量设计方法车身相关的质量设计方法 质量设计工具的正确应用是从设计源头控制质量的必要措施。满足客户需求、平衡车身质量、开发时间和车身总成之间的关系，在车身开发过程中的不同阶段需要使用不同的技术方法。首先需要知道开发什么样的车身，也就是依据整车需求、标杆车型，在成本约束下，定义车身要求，相应技术为质量功能开展法和目标层解法；在概念设计阶段，需要形成可靠的系统方案，用到系统可靠性预测、潜在失效模式与分析技术；在详细设计阶段，通常稳健设计法、可靠性设计、实验设计法、故障树分析等，应用2mm工程进行车身产品的尺

24、寸公差控制。1)1)质量保证技术质量保证技术质量功能展开质量功能展开 它是一种以用户需求为驱动的系统性，结构化的产品开发质量保证方法。它将用户需求分解为产品技术特征、零部件特性、制造工艺特征及质量控制方法。核心组成是质量屋。ISO 9001:2000质量体系2)2)质量设计技术质量设计技术稳健设计稳健设计 它是一种系统设计方法，它使设计的产品性能对制造过程中的波动或工作环境（包括维护、运输和储存）的变化不敏感，尽管零部件会老化，整个产品在其生命周期内仍能以可接受的水平进行工作。田口稳健设计法是应用最广泛的稳健设计方法，包含系统设计、参数设计和容差设计，基本思想是以正交表为工具，用影响设计的噪声

25、因素模拟各种干扰，以信噪比（s/n)作为衡量质量特性稳健性的指标，采用最合适的零部件，组成物美价廉、性能可靠的产品。公差尺寸管理技术公差尺寸管理技术据J.D.Power全世界汽车产品质量关键问题调查评估的报告显示，有41%的汽车产品质量问题由车身制造尺寸偏差所造成。依据汽车设计流程，尺寸管理的工作内容包括：a.概念设计定义整车尺寸技术要求（DTS），起草产品尺寸要求;b.开发设计和安装工艺时，零件的装配方案以及装配顺序会影响到零件在车身上的精度，需要定义安装基准和装配方案;c.进行尺寸的分析计算以及优化装配方案和基准，根据需要进行二维或者三维的尺寸计算。这个阶段需要进行的工作有初步定义GD/T

26、；通过二维或者三维偏差分析来优化设计；制定关键性的测量跟踪计划；制定整车测量计划;d.试制过程中，根据研究结果制订测量计划，将实际生产能力和预期进行对比，包括检具设计、制造和认证；进行检具的GAGE R&R分析；认证并安装测量工具；对零部件和分总成的制造工艺能力进行评估;e.生产阶段，反馈后进行循环尺寸管理，建立数理统计工艺控制方案；跟踪和纠错装配工艺；持续改进和优化产品的设计和工艺。车身结构定位策略设计车身结构定位策略设计: :设计车身定位策略是主要依据六点定位准则和网格平行性准则车身零件六点定位准则车身零件六点定位准则：在工件面积最大的投影面上布置不在同一直线上的三个定位基准；在面

27、积次大的投影面上布置两个定位基准；在面积最小的投影面上布置一个定位基准。为确保稳定，这些点距离越远越好。选择基准点选择基准点时优先顺序为孔、平面、棱边。基准点必须位于零件的稳定区域，即冲压零件冲压质量较好且稳定的区域和后续焊装过程中不会改变的区域。选择基准点不仅要考虑单件加工要求，还要考虑以后装配要求。公差计算方法公差计算方法: :汽车四大工艺时冲压、焊接、涂装、总装。前三大工艺以白车身为加工对象。所以控制白车身的质量尤为重要。影响白车身的偏差分为设计偏差、冲压偏差与装配偏差。3 3）设计质量分析方法）设计质量分析方法试验设计试验设计：是 优化多因子相关复杂设计的科学方法、他通过合理挑选试验条

28、件，安排试验，并通过对实验数据的分析，找出总体最优的改进方案。进行试验设计应遵循三原则：随机性、局部控制和重复性。目前使用的试验设计方法有三种：经典DOS法、田口DOE 法、谢宁DOE法故障树分析.潜在失效模式及后果分析（potential Failure Mode and Effects Analysis，FMEA),是在产品设计阶段，对产品各子系统、零部件逐一进行分析，找出潜在的失效模式，分析其可能的后果，评估其风险，从而预先采取措施，减少失效模式的严重程度，降低其可能发生的概率，以有效地提高质量与可靠性，确保顾客满意的系统活动。FMEAFMEA分析构成分析构成 使用FMEA工具应首先明确

29、产品/系统/零部件的功能，而在规定的时间规定的条件下，不能完成该项规定的能力就称为失效。其次，根据产品应具备的功能，确定其可能发生的失效表现形式，即潜在失效模式，可分两类：一是不能完成规定的功能，如断裂失稳、击穿等；二是产生了有害的非期望功能，如噪声、振动、电磁干扰等。 对失效模式的后果进行严重程度（S)评估，常用十分制确定每一种失效模式后果的严重度。严重度等级标准严重度等级标准 由于失效模式是潜在的，出现的可能性大小要格外引起重视，DFMEA工具中用频度（Occurrence，O)来表示指由于该原因/机理而产生的失效模式出现的可能性。频度数估计参考表频度数估计参考表 对潜在的失效模式及机理，

30、要采取预防措施。首先分析用在相同或相似设计的控制方法的有效性和风险。设计控制方法有三种类型：一是防止失效模式的原因/机理发生，或者减少发生可能性。如通过工程分析。二是找出造成该失效模式的潜在机理/原因。三是找出可能的失效模式，如通过整车道路试验发现存在的问题。优先采用第一种方法，其次用第二种方法，最后用第三种方法。用于制造、装配过程的检验和试验不能视为设计控制。 预防措施能否探测出潜在的失效模式和机理，即预防措施的有效性，用探测度（Detection，D）表示。探测度等级标准探测度等级标准 失效模式的潜在后果严重度S、频度O、设计控制方法对失效模式及其原因的探测度D，三者乘积表示潜在的失效模式

31、对产品设计质量的风险，即风险顺序数（RPN）。RPN越大，意味着设计风险越大，越需要采取控制措施。当RPN相近的情况下，优先注意S大的失效模式，以及S和O都较大的失效模式。1.4.31.4.3设计质量控制技术的发展趋势设计质量控制技术的发展趋势 随着信息时代的进步，生产企业的技术改革，生产模式发生了巨大的变化，在这种情况下，质量控制技术迎来了前所未有的挑战和机遇。在各种信息充斥的环境中，质量控制技术呈现了新的特点。1）设计质量控制技术像智能化发展；2）设计质量控制技术向自动化发展；常见设计质量控制软件常见设计质量控制软件3）设计质量控制向集成化发展。第二章第二章 车身总布置设计车身总布置设计2

32、.1 2.1 车身布置概述车身布置概述 在整车开发周期中车身布置是非常重要的一个阶段，对整车性能影响很大，其内容包括车身造型、发动机舱、乘员舱、地板、内部结构、动力及底盘的布置和尺寸控制。车身布置和整车总布置关系密切，车身布置很大程度上是在整车总布置上进行的。 在概念设计初期，确定发动机布置形式和驱动方式后，根据初步确定的底盘和动力布置草图就可以初步确定地板的高度和轮罩的位置及形状了，此时地板的高度还需考虑整车通过性、底盘性能、乘员舱空间等因素。 前围的布置和发动机舱布置一般为同时进行综合考虑，发动机舱主要考虑发动机、动力附件、传动系统、制冷散热系统各种管路及线束等的空间。 乘用车内部设计对人

33、机工程的应用越来越看重，强调以人为本的设计理念。主要确定驾驶员及后排乘客的相关空间及操作可达性2.2 2.2 车身人机工程车身人机工程 人机工程师描述适于人工作的操作环境的科学，它贯穿于车辆设计的始终。2.2.1 2.2.1 人体模型人体模型 在SAE J826（R）DEVICES FOR USE IN DEFINING AND MEASURING VEHICLE SEATING ACCOMMODATION中规定了汽车设计用的人体模型的尺寸、质量等参数。在设计初始需选择车辆对应国家及区域的人体百分位，百分位表示人体的某项基础数据对于使用对象中有百分之几的人可使用。人体姿态舒适性主要硬点及设计参

34、数人体姿态舒适性主要硬点及设计参数2.2.22.2.2人体的舒适姿势评估工具人体的舒适姿势评估工具 人体驾驶的舒适和疲劳程度与设计中选择的人体各关节角度所确定的驾驶姿态有关。人体生理角度推荐值人体生理角度推荐值2.2.32.2.3驾驶人驾驶人H H点设计工具点设计工具 SAE的H点设计方法是以AHP点为基准定出一系列百分位的H点曲线，确定H30尺寸后即可确定下半身的位置和姿势。2.2.42.2.4驾驶人手伸及界面驾驶人手伸及界面 驾驶人手伸及界面的要求为：当驾驶人在告诉驾驶时，从操作方便性出发应保证驾驶人在身体躯干部位变化不大的情况下，能方便地操纵转向盘、踏板、变速杆以及各种按钮。2.2.52

35、.2.5眼椭圆及头部包络线眼椭圆及头部包络线 驾驶人眼椭圆是通过统计的观点和方法研究驾驶人的视点分布规律所得出的用来表示驾驶人眼睛为之的工具，对分析车辆的视野性能有很大的帮助。眼椭圆决定了头廓包络线，头廓包络线分为两种形式：一种为座椅可调节式的头廓包络线；另外一种为座椅不可调节式的头廓包络线。前者适合于驾驶员的头部位置和头顶空间的设计，后者适合后排乘员的头部位置和头顶空间的设计。2.3 2.3 车身外造型车身外造型2.3.12.3.1车身外造型设计参数车身外造型设计参数1 1）车身外造型的设计基准）车身外造型的设计基准在定义外造型设计基准之前，首先需要确定整车设计坐标，即整车设计坐标原点，一般

36、三个平面坐标定义如下：X平面-通过前轮心且垂直于Y平面的基准平面；Y平面-车辆对称中心平面；Z平面-通过车辆前轮心与X平面和Y 平面都垂直的基准平面。由车身外造型的特征定义出外造型的相关的主要硬点：在X方向上：前轮心、后轮心、C点（前风窗玻璃倾斜角测量基准点）、D点（后风窗玻璃倾斜角测量基准点）；Y向只有整车对称中心面；在Z向;设计地面线、前轮心、后轮心、侧围下边缘、C点、D点。在一般的设计中，选择整车坐标系、前轮心、整车对称中心平面、地面线作为设计基准。2 2）车身外造型的设计参数）车身外造型的设计参数 车身外造型的设计参数。主要是影响外造型建模过程所需要的相关参数。主要有前悬、轴距、后悬、

37、整车长、整车宽、前轮距、整车高、接近角、离去角、最小离地间隙、侧围下边缘离地距离、前风窗玻璃倾斜角、后风窗玻璃倾斜角、侧窗玻璃倾角。2.3.22.3.2车身外造型零部件车身外造型零部件确定整车外造型设计的基准及设计参数，整车外造型轮廓基本可以确定下来，下一步需要对车身上的零部件进行考虑。在对车身零部件设计与布置时需要考虑其融入到整车造型风格中，而不是独立脱离出车身来进行设计和布置。外造型零部件与整车、强制性法规、人机工程推荐的关系；前保险杆整车通过性；正面碰撞法规；造型风格；发动机舱零部件布置；前牌照牌照尺寸及安装位置；前组合灯各个灯的安装位置；发动机罩行人保护；下视野；发动机罩开启人机建议；

38、翼子板造型风格；前轮胎承载能力；轮罩法规；造型风格;外后视镜后视镜安装位置及视野要求法规；前风窗玻璃驾驶人前方视野；刮水器刮刷面积；前门外板门外开手柄人机建议；造型风格；前侧窗侧方人机建议；造型风格；后侧窗侧方视野人机建议；造型风格；尾门或行李箱装载空间；门外开手柄及开启高度人机建议；后风窗玻璃驾驶员内后视野；后轮胎承载能力；轮罩法规；造型风格；后组合灯法规要求；安装位置；后牌照法规要求牌照尺寸及安装位置；后保险杠离去角影响通过性；后端的造型风格；1 1）外造型设计参数与整车通过性）外造型设计参数与整车通过性整车通过性就是车辆在运行过程中通过障碍物的能力，简单的描述是车辆下端零部件与地面最小的

39、间隙和角度。主要包括接近角、离去角、纵向通过角、前轴离地间隙、后轴离地间隙、最小离地间隙。在法规GB 15089-2001机动车辆及挂车分类中对越野车的整车通过性提出了较高的要求：接近角25，离去角20，纵向通过角20，前轴离地间隙180mm，后轴离地间隙180mm、最小离地间隙200mm。2）轮罩板的法规要求在法规GB 7063中对汽车轮罩板的规定如下，在水平路面上，当车辆在运转状态，前排坐一名成员，车轮在直线行驶位置时，轮罩板应该满足下列要求：在车轮中心向前30和向后50的两个辐射平面嗦形成的区域内，护轮板的宽度必须满足以遮盖整个轮胎的宽度。护轮板的后缘应位于车轮中心上方150mm的水平面

40、以下的水平面上，而且护轮板的边缘与这个平面的交点必须位于轮胎纵向中间平面的外侧。护轮板外边缘的深度p，在通过车轮中心的纵向垂直面内测量时应不小于30mm；护轮板的下边缘与车轮中心的距离c应不超过2r（r为轮胎的静力半径）发动机罩尾门开启布置的人机建议:发动机罩开启方便性考虑的是在满载下95%人体尺寸的男性弯腰对发动机舱进行检修过程中的头部空间，以及空载下5%人体尺寸的女性伸起手臂可以摸到发动机罩。尾门开启高度要求满足5%中国女性人体的踮脚摸高高度要求，即尾门拉手高度最好在1870mm以下，另外为了装卸货物，尾门开启后离地最小高度应高于尾门门洞高度。2.4 2.4 车身室内设计车身室内设计车身内

41、部在设计时，主要是对车身内部空间进行布置，保证驾驶员和乘客的乘坐舒适性；车身内部的零部件是为驾驶人和乘客“服务”的，相对地为驾驶人“服务”的零部件比较多。车身内部布置根据上述主要划分为车身内部空间布置和车身内部零部件布置两个区域。2.4.12.4.1车身室内空间车身室内空间1)1)车身内部设计基准：车身内部设计基准：SgRP点是人机模型的基准点，对于车身内部空间布置也选择SgRP点，对于每排的乘客，都是将乘客的H点作为其相关设计参数的硬点。每排乘客的脚踵点（AHP点），与地板接触的脚后跟点也是人机模型的相关参数设计的基准硬点。2)2)车身内部设计参数：车身内部设计参数：车身内部空间布置确定好设

42、计基准点，接下来是定义车身内部设计参数从车身内部整体空间来定义设计参数：X方向-车身内空长度尺寸（L53+L50-2),驾驶人脚踵点到最后排乘客的H点水平距离；Y方向-车身内空宽度尺寸（W3-1/2/3或W5-1/2/3），驾驶人或每排乘客H点横向截面处的肩部宽度和臀部宽度。Z方向-车身内空高度尺寸（H61-1/2/3或H505或H201），驾驶人或每排乘客H点到顶部内饰的距离（H61）；车内地板到车顶衬最高的垂直距离（H505或H201）。上述SAE J1100中的设计参数都需要2D人机模型及模型头部包络、眼椭圆等人机工程相关的工具作为设计的基准。从车身内部局部或零部件来定义设计参数包括：1

43、）腿部空间：驾驶人腿部空间L34、L53，乘客腿部空间L51-2，L50-2，L48-2.2)臀部与肩部空间：驾驶人或乘客的肩部空间W3-1/2/3，臀部空间W5-1/2/3.3）头部空间：驾驶人与乘客的头部空间。4）头部包络侧面设计参数：H46-1/2/3、L38、L39。5）头部包络横截面设计参数：W27、W35、H35。6）轿车不同档次车型的车身内部设计参数推荐值见表2-5和表2-62.4.2 2.4.2 车身内部零部件布置车身内部零部件布置1 1、座椅布置、座椅布置1 1）座椅设计基准：）座椅设计基准：人体模型SgRP点即人机设计的H点，作为座椅的设计硬点。H点也是车内其他相关设计参数

44、的设计基准，保证设计基准的一致性。2)2)座椅设计参数：座椅设计参数：座椅设计参数主要有座椅靠背角度，坐垫深度，有效坐垫深度，坐垫宽度，靠背宽度，靠背厚度，靠背高度，头枕靠背高度。一般座椅都有头枕，设计参数还应包括头枕宽度、头枕高度、头枕厚度、头枕滑移行程。3 3）坐垫与靠背的压缩量：）坐垫与靠背的压缩量：这两个值为经验值，一般建议坐垫压缩量取值2535mm，靠背压缩量取值2025mm。4 4）座椅法规要求：）座椅法规要求：国家标准GB 15083-2006汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法中的4.5对座椅设计参数靠背头枕高度及有头枕的座椅的头部宽度的强制性要求。2.2.座椅设计的

45、人机工程建议座椅设计的人机工程建议达到人体最舒适的坐姿是臀部稍离靠背向前移，上体略向后倾斜，保持人体躯干与大腿的夹角在90115。座椅的坐垫面和靠背的外造型曲线设计，应与人体放松状态下的背部曲线相吻合，保证驾驶人和乘客的乘坐舒适性。3.3.门内饰扶手的布置门内饰扶手的布置检查驾驶人将前臀放在靠臂面上休息时是否与周围按钮产生干涉；扶手与内饰板的间隙是否能够容纳下人体的手宽和手厚；校核车门开启角度为设计值时，国际5%的女性人体能否开闭。国际5%的女性在座椅调至合适位置、不佩戴安全带的情况下弯腰伸直手臂时必须能顺利关闭车门。. .换挡及驻车制动机构布置换挡及驻车制动机构布置变挡杆及驻车制动手柄与周边

46、部件间存在相对运动，需对其进行运动校核。变速杆和驻车制动手柄的操作动作要是手臂或手处于施力最舒适位置。变速杆在所有工作位置时，应位于转向盘下面和驾驶人座椅右面，在通过R点横向垂直平面之前，不低于座椅表面，而在投影平面上距R点水平面上的投影小于600mm。. .三踏板布置三踏板布置ISO3409中对三踏板的相对位置关系有推荐范围按照GB/T 17346-1998轿车脚踏板的侧向间距、JIS D0022汽车脚踏控制器的侧向空间等标准，参考GB/T 13053-2008客车车内尺寸和几种车型总结了踏板布置经验数据。2.5 2.5 车身相关法规校核车身相关法规校核2.5.12.5.1前方视野前方视野直

47、接视野是指驾驶人不借助其他装置（如后视镜）在前方180范围内，直接能看到的视野范围。直接视野也称为前方总视野。视野的设计必须满足GB 11562-1994、GB 11565-1989、GB 11555-2009、GB 15085-1994。前方视野设计分为以下四部分：1 1、前风窗透明区域、前风窗透明区域2 2、仪表板视野设计：、仪表板视野设计：组合仪表位置要求驾驶人不必使头部和眼睛运动，更不需移动身体位置能看清全部仪表。人机工程建议组合仪表空间位置仪表板离最好是710mm左右，其高度最好与眼平齐，板面上边缘的视线与水平视线的夹角不大于10，下边缘的视线与水平视线夹角不大于45。仪表板应与操作

48、者的视线成直角，至少不应小于60，当人在正常坐姿下操作时，头部一般略自然前倾，所以布置仪表板时应使板面相应倾斜。通常，仪表板与地板的夹角为6075。3 3、A A柱视野障碍角柱视野障碍角: :A柱视野障碍角是指A柱在驾驶人前方视野范围形成的视野障碍角度。A柱视野角度测量方法过程见GB 11562-1996中6要求，M1类车A柱视野障碍角不得超过6。4 4、刮水器的刮水面积：、刮水器的刮水面积：刮水器的刮刷面积在GB 11565-1989中规定：刮刷面积不得小于A区域的89%，B区域的80%。2.5.2 2.5.2 后方视野后方视野 后方视野主要是驾驶人通过内后视镜与左右外后视镜看到的后方视野驾

49、驶人借组内后视镜必须能在水平路面上看见一段宽度至少为20m的视野区域，其中兴平面为汽车纵向基准面，并从驾驶人眼点后60m外延伸至地平线。 主外后视镜（主外后视镜（I I、IIIIII类类）（见GB 15084-2006中7.5.1）视野要求如下图 左外后视镜：左外后视镜：驾驶人借助内后视镜必须能在水平路面上看见一段宽度至少为2.5m的视野区域，其中心平面为汽车纵向基准面，并从驾驶人眼点后10m外延伸至地平线。 右外后视镜：右外后视镜：驾驶人借助内后视镜必须能在水平路面上看见一段宽度至少为4米的视野区域，其中心平面为汽车纵向基准面，并从驾驶人眼点后20m外延伸至地平线（该标准适用于M1类和总质量

50、不超过2000kgN1类车辆）。2.5.32.5.3安全带有效固定校核安全带有效固定校核 安全带布置主要满足 GB 14167-2006汽车安全带安装固定点的要求。其中该标准中规定的安全带固定点数量及下固定点角度如下：安全带上有效固定点位置主要要求如下： 1）安全带上有效固定点应位于垂直于座椅纵向中心面并与躯干线成65角的FN平面下方。对于后排座椅，此夹角可以减小至60。FN平面与躯干线相交于D点，此时须保证DR=315mm+1.8S，但当S200mm时，DR=675mm； 2）安全带上有效固定点应在垂直于座椅纵向中心面并与躯干线成120角且相交于B点的FK平面后方，此时须保证BR=260mm

51、+S。但当S280mm时，制造商可以选用BR=260mm+0.8S； 3）S值不得小于140mm； 4）安全带上有效固定点应位于通过R点并垂直于车辆纵向中心平面的铅垂平面之后； 5) a1和a2为R分别通过L1点和L2点，且垂直于车辆纵向中心平面的平面与水平面之间的夹角；6）S为安全带上有效固定点至平行于车辆纵向中心平面的基准平面P的距离，如果乘坐位置是由座椅形状确定的P平面即为座椅的中心平面。第三章第三章 车身结构设计方法及流程车身结构设计方法及流程3.1 车身结构设计3.1.1 车身组成和分类 汽车车身是汽车整车的重要组成部分，其结构主要由以下几部分组成组成：车身本体（白车身）、开闭件、座

52、椅、车身内外饰件、车身附件及其他附属设备等。在货车和专用汽车上还包括货箱和其他专用装备。 车身分类车身分类：按照车身承载型式来分：非承载式（有车架式）、半承载式和承载式（无车架式）。3.1.2 白车身机构设计车身总体尺寸和形状以及承载的结构型式确定后，即可着手进行细致的结构分析与设计。设计车体结构大致按以下步骤：1）确定整个车体应由 哪些主要的和次要的构件组成，使其成为一个连续的、完整的受力系统；确定主要杠杆采用怎样的截面形式（闭式的或开式的）；2)确定如何构成这样的截面，截面与其他部件的配合关系，密封或外形的要求，车身上内外装饰板或压条的固定方法以及组成截面的各部分的制造方法及装配方法等；3

53、）对个截面的初步方案制定以后，可以绘制由一个截面过渡到另外一个截面的草图，杠杆连接结构草图以及与同时所形成的外覆盖件草图；4)将车体分成几分总成，例如一般三厢车可以分成四门两盖、地板、发动机舱、侧围、顶盖、后围等； 5）同时进行应力分析计划； 6）进行详细的主图板设计，并画出零件图。3.1.3 3.1.3 车身结构设计要求车身结构设计要求法规标准要求外观质量要求性能设计要求制造设计要求界面设计要求物流及售后设计要求3.2 3.2 车身结构设计流程车身结构设计流程 整车开发流程主要围绕三个方面，即第一是要开发一辆什么样的车，第二是怎样设计这样的车，第三是怎样将设计好的新车型批量制造出来。 整车开

54、发流程包括产品策划、概念设计、技术设计、产品试制、产品试验和生产准备六个方面。车身结构设计主要内容及流程属于整车开发流程中的技术设计阶段。3.2.13.2.1 车身详细设计工作内容车身详细设计工作内容1）骡子车制造与验证；2）车身结构可行性研究：造型对结构的约束；车身结构可行性研究的输出；白车身拆解工作；典型断面设计；详细结构设计；虚拟评审；数据发布；产品试制；正式工装样车制造与验证。3.2.23.2.2 车身开发流程的并行工程车身开发流程的并行工程传统的开发流程是一个串行设计过程，影响开发周期和成本，因此必须在产品开发的第一流程上采用并行工程理念对开发流程进行重组，简历并行设计知识库-结构方

55、案分析、CAE分析、工艺分析等。 3.3 面向制造的车身结构设计面向制造的车身结构设计以下是无骨架式车身和有骨架式车身的制造流程3.3.1 冲压工艺在车身设计中的应用1、冲压工艺分类按照加工性质，冲压工艺可分为分离工序（落料、冲孔、剪切、切口、切边、剖切）、成型工序（弯曲、深拉、内孔翻边、外缘翻边、胀形、整形）2、车身冲压用材料选择汽车制造中，冲压生产成本占整车生产成本的39%，而冲压生产成本构成中，冲压钢板材料成本又占91%，所以在整车生产成本控制中，降低冲压生产成本，提升材料利用率，成为重中之重。选材要素如下：1）材料和料厚2）板材卷宽3）料厚偏差3、冲压成本的控制1）构建钢板材料规格平台

56、；2）根据车型产量适时调整材料采购规格；3）采用合理的结构设计。3.3.2 焊接工艺在车身设计中的应用焊接的实质是利用局部加热和/或局部加压的方法，使被连接处的金属熔化或达到塑性状态，以促使两金属的原子相互渗合并接近到一定的金属晶格距离（约为0.30.5nm），原子之间的结合力就可以把两个分离的金属构件连接成一体。1、车身焊接设计注意事项、车身焊接设计注意事项1）焊接结构工艺性；2）焊接接头的形式；3）焊缝的布置；4）焊接结构的开敞性对车身制造的影响。2、车身制造中常用的焊接方法：车身制造中常用的焊接方法：电阻焊、二氧化碳气体保护焊、激光焊接。3.3.3 涂装工艺在车身设计中的应用涂装是指将涂

57、料涂至清洁的物理表面上干燥成膜的工艺，其目的是保护车身和提高其装饰性。涂装工序主要分为：涂前表面处理。涂布涂料和固化。1、涂装工艺1）涂前表面处理工艺2）电泳涂装工艺3）密封、车底涂料涂装工艺4）中涂涂装工艺5）面漆涂装工艺2、涂装工艺对车身设计的要求1）零件焊接处的焊缝设计要求2）涂装工艺孔的设计要求（进水孔、排水孔、排气孔、涂胶槽的设计3.3.4 总装工艺在车身设计中的应用汽车总装是将动力、底盘、电子、电气、内饰、外饰等功能件按照设计要求，安装在车身的相应位置上，组装成一辆功能完整的整车的过程。总装工艺主要包括各功能件的安装顺序、安装方法、安装节奏等内容。为了满足总装生产工艺，进行车身设计

58、要注意一下要求：1）安装便利性；2）安装可靠性；3）功能件模块化的设计要求。第四章第四章 车身强度及刚度设计车身强度及刚度设计4.1 车身强度设计4.1.1 车身强度设计标准 CAE分析的应力许用范围在材料的屈服强度和抗 拉强度之间，如果该零件有失效历史应该降低其许用应力。4.1.2 白车身静强度分析1、分析载荷的确定，目前车辆的载荷获取方法一般分为三种：直接测量法、半理论分析法、全理论分析法。2、白车身准静态应力分析。4.1.3 车身附件强度分析汽车上一些附件以及和车身的连接处容易出现强度耐久性问题，针对这种局部的强度问题，采用局部子模型进行强度分析是行之有效的分析手段。需要迁都分析的车身附

59、件及安装点主要包括：前舱部位的熔丝盒支架、电池托架、油壶水壶等支架、下车体部位的油箱支架、传动轴吊架、排气管吊架等车门开闭件的连接部位等。4.1.4 车身附件的强度分析流程 建立强度分析子模型，根据车身在试验场地主要工况的加速度情况确定子模型的载荷，采用惯性释放方法进行应力分析；根据运动力学分析软件运动仿真结果，得到零件受力点的力大小；对比仿真和试验结果，子模型很好地模拟了零件的失效位置和失效模式，确认了原来的设计方案强度耐久性不足，再优化设计。4.2 车身疲劳强度设计4.2.1 疲劳理论 全寿命理论和裂纹寿命理论。4.2.2 全寿命分析1）应力循环2）S-N曲线4.2.3裂纹萌生/应变寿命分

60、析1）应变-寿命法2）循环应力-应变曲线3）应变-寿命曲线4.2.4 疲劳累积损伤理论 疲劳累积损伤理论是疲劳分析的主要原理之一，也是估算变应力幅值下安全疲劳寿命的关键理论。所谓损伤是指在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹的形成和扩展。 不同研究者根据他们对损伤累积方式的不同假设，提出不同的疲劳累积损伤理论。主要有以下四大类：1）线性疲劳损伤理论2）双线性累积损伤理论3）非线性累积损伤理论4）其他累积损伤理论4.2.5 汽车疲劳强度 汽车的疲劳强度主要分为：车身钣金件疲劳强度，主要是指车身钣金件的耐久性；其他部件安装位置的安装强度，如门锁铰链；底盘件疲劳强度，主要是指底盘部件耐久性，以及对应