汽车车身设计-第三章

1、第三章、车身结构拓扑模型与力学模型9:25:302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 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9:25:3029:25:303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（Clo

2、sure，车门、发动机罩、行李箱盖等）焊接总成，不包括车身附属设备和装饰件9:25:3039:25:304白车身（BIW-Body In White） 功能 对汽车部件起支撑、连接作用 搭载乘员、货物 为乘员提供良好的驾乘空间和安全保护9:25:3049:25:305白车身的设计要求1.基本功能要求 安装、固定、连接、密封等2.车身结构的性能要求 静刚度：扭转和弯曲 静强度：大的外覆盖件、结构件 NVH（振动噪声，刚度、模态，动力学响应） 疲劳和耐久性3.理想的碰撞特性 安全区、缓冲吸能区、低速碰撞区 载荷分流 二次碰撞缓冲 行人保护9:25:3059:25:306白车身的设计要求4.轻量化和

3、低成本结构轻量化轻质材料高强度材料5.遵循总布置尺寸约束6.基于平台的系列设计模块化、通用化、平台化7.满足车身制造要求质量和可靠性加工（工艺）、装配9:25:306 承载系统 车身（或车架）与汽车的车轮、悬架系统构成汽车的行驶系统，是汽车行驶时的主要承载部件，承担着全部载荷，包括由发动机、传动系及悬架系统传来的载荷及各种路面工况下的作用力和力矩。因此将车身和车架称为承载系统 车身按承载型式不同分为： 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9:25:307（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、

4、车架上的载荷1-散热器支架 2-前翼子板 3-前盖（发动机罩）4-合页 5-导风板 6-前围板 7-前轮罩（挡泥板） 8-前盖锁支架 9-前围板 10-前立柱（A柱） 11-导风板 12-顶盖 13-上后隔板 14-侧围 15-中地板 16-中柱（B柱） 17-外门槛 18-前地板 19-外侧导风板 20-车架边梁 21-抗扭盒 9:25:308非承载式车身特点 带有独立完整车架 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 承载的多少只是相对车架而言，实际上车身除了承受室内的装载外，还在一定程度上承受着由于车架变形或振动所引起的载荷 多用于有

5、较宽松空间的高级轿车上第一节 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9:25:309非承载式车身优点 车身与车架弹性连接，乘坐舒适性好 装配方便，便于车身的改型，例如：Ford T型车的平台非承载式车身缺点 尺寸、重量大，整车油耗高第一节 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9:25:3010典型结构分析-车架 大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

6、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9:25:3011典型结构分析-周边式车架 前、后两段的宽度收缩，中段加宽；前、后狭窄段通过“抗扭盒”与中段纵梁焊接相连，形成一种曲柄式结构，在汽车正面碰撞时可吸收部分能量 车架中段宽度接近于车身地板宽度，从而提高了整车的横向稳定性，并便于车身室内地板布置第一节 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9:25:3012非承载式车身应用 少数轿车（例如：可加长轿车） 大多数货车驾驶室为非承载结构 绝大多数大客车仍为非承载式第一节 作用在车身系统上的载荷一、车

7、身结构承载型式二、作用在车身、车架上的载荷9:25:3013（二）承载式车身（二）承载式车身将车架作用融入车身，又称整体式车身车身承担承载系统的全部功能，发动机和行驶系的支点都在车身上第一节 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9:25:3114（二）承载式车身（二）承载式车身世界第一款承载式车身Austin A30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9:25:3115主要部分板厚0.914mm前后悬架支点部分板厚1.299、1.626、2.032mm（二）承载式车身（二）承载式车身为防止振动直接传入车身，经常将发动机

8、和行驶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可将动力总成和悬架等与副车架形成一个组装部件（模块化），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9:25:3116（二）承载式车身（二）承载式车身优点 是空间框架结构，充分利用车身承担载荷 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9:25:3117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）

9、承载式车身（二）承载式车身 例9:25:3118（二）承载式车身（二）承载式车身 例第一节 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9:25:3119（一）典型路况下车身所受载荷 整车和车身参考坐标系 就悬挂质量系统（车身、车架）而言，取通过其质心的坐标系x y z，如果将系统视为刚体，则它在悬架系统上有六个自由度第一节 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9:25:3120（一）典型路况下车身所受载荷 汽车行驶时，一般作用在车身上的力为第一节 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9:25:312

10、1（一）典型路况下车身所受载荷 动荷系数 主要决定于三个因素： 道路条件（颠簸程度，不平度及其空间分布，附着系数） 汽车行驶状况（车速、加速度，以及制动、加速等工况） 汽车的结构参数（如悬架弹性元件的刚度，轮胎刚度，整车质量分布、轴距等） 上述因素很复杂，动荷系数难以用数学分析法确定。往往分别对某些简单的路况进行研究，动荷系数则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9:25:3122（一）典型路况下车身所受载荷 典型路况 路段由n个高度为h的对称不平度组成，产生对称于汽车纵向对称面的垂直力Fzs 路段具有半径为r

11、的垂直方向的曲率，所产生的加速度与速度平方成正比，与曲率半径成反比第一节 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9:25:3123（一）典型路况下车身所受载荷 典型路况 路段具有高度为hn的非对称不平度，使左右车轮垂直加速度不同 路段具有高度为hp的障碍物，使汽车产生垂直加速度和纵向力Fx；汽车制动时也存在Fx方向的制动力第一节 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9:25:3124（一）典型路况下车身所受载荷 典型路况 路段具有半径为的水平曲率，汽车质量由于惯性离心力产生侧向加速度和侧向力Fy。路段一定，加速度大小主要取决于行

12、驶速度第一节 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9:25:31251影响车身强度的基本载荷对称垂直载荷 当汽车行驶在和路段上，假设汽车结构左右对称，则承载系统将经受与汽车纵向轴线相对称的垂直作用力Fzs ，是汽车正常行驶情况下的主要动载荷成分第一节 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9:25:31261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9:25:31272影响车身强度的基本载荷非对称垂直载荷 左右车轮接地点出现高度差hn，则承载系统上将作用有非对

13、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和反对称于汽车纵轴的垂直载荷，形成车身绕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9:25:31282影响车身强度的基本载荷非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9:25:3129 实际汽车行驶时，承载系统在六个自由度方向运动，各点的位移或加速度是不相等的 车身系统并非刚体。现代计算手段完全能够充分考虑车身是一个高度超静定的弹性体，可以包含车身结构弹性对载荷的影响，并计算各构件所受的载荷第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型

14、式二、作用在车身、车架上的载荷9:25:3130（二）随机载荷疲劳载荷 实际汽车在不平道路上行驶时所经受的外载荷，都带有随机性质 车身承受悬架传来的路面随机载荷 时间域：载荷-时间历程或时域负荷 频率域：功率谱（密度） 随机载荷引起构件反复交变的应力 应力幅值不大，一般不超过弹性极限 会导致汽车结构疲劳损坏，故又称疲劳载荷第一节 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9:25:3131（二）随机载荷疲劳载荷 疲劳载荷大小及其特性与路面情况、以及汽车的使用情况和结构参数等因素有密切关系 路面情况：不平度及其空间频率分布 汽车的使用情况：车速、工况（加速、制动、转弯

15、）、货物装载量 结构参数：轴距、轮距、轴荷分配、质心高度等第一节 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9:25:3132（二）随机载荷疲劳载荷 对随机载荷只能进行统计的描述 道路试验方法道路试验方法：汽车在典型路面上进行短距离实测，然后用统计学原理对测得的车身支承处的响应进行整理和推断，编制成载荷谱 数字分析方法数字分析方法：通过积累的路面不平度的测量统计资料（路面功率谱密度）和反映结构参数的系统频率响应函数，求得悬架支承点输出功率谱和均方值；并作为车身的输入，从而求出车身构件的载荷。或者利用多体动力学仿真来计算第一节 作用在车身系统上的载荷一、车身结构承载型

16、式二、作用在车身、车架上的载荷9:25:3133（三）标准载荷G载荷 设计载荷的制定涉及产品竞争 各公司根据各地使用条件制定了各自的标准载荷，对全装备车身结构上的悬架支承处施加约束，完成标准工况的载荷分析，模拟车身的变形，得出车身载荷的分布和高应力区 一些汽车公司对欧洲地区承载式车身采用三种标准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9:25:3134（三）标准载荷G载荷 用途：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 检查在G载荷作用下的结构强度和刚度时，取许用应力为材料的屈服极限 应力分布图初步提供

17、了可能影响寿命的潜在的高危区域信息第一节 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9:25:3135（三）标准载荷G载荷 标准载荷分析的主要缺点 主要用于车身拓扑模型和简单几何参数模型的车身设计阶段 不能预测疲劳寿命 难以获得准确的时域负荷。在车身设计早期阶段，详细结构模型尚未建立，不能实测或仿真得到用于疲劳分析的车身支承处的载荷/时间历程 车身模型不够详细，影响疲劳寿命计算准确性 不能真实地反映车身实际载荷状况第一节 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9:25:3136（四）作用于车身的非破坏性作用力 除悬架传来的作用力外，还

18、有非破坏性作用力 轻微冲撞力（外部、车门、货物等） 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 安全带固定点的作用力、气囊爆起的作用力等 车身结构设计时要考虑在这些作用力下相关部位的强度和刚度第一节 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9:25:3137（五）碰撞载荷汽车的碰撞形式分为正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞和滚翻车身承受的载荷：与碰撞形式、车身结构形式、车速、质量、加速度、被撞物体质量和速度等有关在碰撞载荷作用下，结构将发生大变形，甚至破坏、失效结构设计时，应着重考虑车身各部位的变形变形（刚度分配）和载荷流动载荷流动，确保碰撞后结构： 吸

19、收能量 缓冲撞击 保护乘员 避免关键功能失效（如车门无法打开） 避免危险情况发生（如燃油漏泄）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9:25:3138例：正常行驶时各种载荷作用结果第一节 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9:25:3139例：正常行驶时各种载荷作用结果第一节 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9:25:3140 车身结构型式随总体布置形式的不同而大不一样，如 发动机前置还是后置 前轮驱动还是后轮驱动 悬架、转向器、发动机的支承方式等第二节 车身结构的拓扑模型一、车身

20、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9:25:3141 白车身结构 由构件构件及其接头接头和板壳零件板壳零件共同组成 是承受载荷和传递载荷的基本系统 结构设计决定了载荷路径载荷路径 构件 一般钢结构车身，其构件是由成形钢板制件焊接组合的，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9:25:3142 车身下部（底架总成） 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（挡泥板）等第

21、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9:25:3143Audi A8 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9:25:3244 轿车车身分成前车身，中、后部第二节 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9:25:3245前部车身 车身前部敞开部分承受比较大的集中力，如动力总成、散热器、车前板制件的重力和前悬架支承力等，这些力主要由底架的

22、前纵梁支承，并传至整个车身前部结构 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9:25:3246前部车身 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 前围板前应具有可将外部空气导入车室内的通风口，并阻止发动机噪声透过前围板传入车室；还要在散热器框架周围安装前大灯、散热器和空气冷凝器等第二节 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9:25:3247车身中段 乘坐室部分主要承受分散在地板上的重

23、力 例如：车身装备和乘员的重力，悬挂在门柱上的车门重力等第二节 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9:25:3248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9:25:3249构件布置设计时，要注意车室与前部敞开部分相连接区域刚度的加强 纵梁到门槛的扭矩盒扭矩盒 前铰链柱上端前指梁前指梁 斜梁或接头圆角的设计第二节 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

24、对车身结构的要求9:25:3250为避免大的力流集中由前纵梁通向乘坐室，结构件的布置应使通过前纵梁的力流分散地过渡到前围板区域及地板和门槛第二节 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由前纵梁上部平面悬架支座附近由前纵梁上部平面悬架支座附近，向后，向后下方分叉斜伸出下方分叉斜伸出两根短梁，通到地板中间通道横梁和两根短梁，通到地板中间通道横梁和A柱的铰链柱段柱的铰链柱段9:25:3251地板横梁 对底架总成的中部起支撑作用 该横梁布置位置往往取决于座椅的布置，主要用于加强左右门槛之间的联系，固定座椅和加强地板刚度，并承受侧向碰撞力第二

25、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9:25:3252地板的中间通道 有利于提高地板的抗弯能力 便于地板下传动轴和排气管等的布置第二节 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9:25:3253乘坐室上部的框架结构 由侧围总成、前/后风窗框、前围板/后隔板及车顶梁构成，并焊装上顶盖 侧围在车身整体弯曲刚性中起重要作用第二节 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9:25:3254前围板、后隔板分别与前、后风

26、窗框相连，具有很高的车身横向抗剪刚度 阶背式车身，其后隔板是由上部后风窗隔板和后座椅支承板组成，用于承受车身扭转时的剪力 斜背式或快背式，在扭转时的剪力则主要由后部的框架来承受第二节 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9:25:3255地板总成后部零件 承担后悬架传来的力，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，原则上与前纵梁相同，将载荷分流第二节 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9:25:3256 车身结构构件布置 应使车身构成一个连续完整的受力

27、系统与合理的载荷路径 结构中的载荷路径合理与否，可以通过应变能的计算进行考察第二节 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9:25:3257 车身结构的布置设计是车身概念设计中要首先完成的工作 车身拓扑模型 车身结构中，梁、柱等承载件的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的要求9:25:32581. 构造车身结构草图 白车身结构布置空间受车辆总体外形和内部布置要求的约束 在这内、外之间的结构布置空间中，由高水平有经验的工程师构造车身结构草图第二节 车身结构

28、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9:25:32592. 建立结构拓扑模型，进行载荷计算 研究结构拓扑模型，定义初始的几何尺寸参数 拓扑模型拓扑模型是研究构件几何参数（如构件截面、接头参数和板料厚度等）的基础 构件的布置是否合理，可以通过简化模型的载荷计算分析进行判断，这是结构概念设计阶段极其重要和复杂的工作 设计师应该研究如何发挥材料的作用，哪些地方需要材料，而哪些地方不需要材料，以便得到最佳的车身拓扑模型第二节 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9:25:32603.

29、 结构拓扑模型的优化 根据载荷（如G载荷）计算，综合考虑材料、制造等因素，对结构拓扑模型进行优化 优化后的拓扑几何方案输入CAD系统进行详细的结构设计，才能开始后续的车身结构开发研制工作车身结构性能的研究制造加工方法成本、重量的研究和优化第二节 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9:25:3261结构在载荷作用下发生变形，于是各部分将储藏一定的应变能应变能结构的构件储藏应变能的多少是衡量它承担载荷多少的标志，可以用比应变能比应变能（应变能/质量又称应变能密度）来表示第二节 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

30、三、应变能分析四、碰撞安全性对车身结构的要求9:25:3262 原则： 总应变能小，说明车身刚度足够大，或材料没有充分利用 可以将比应变能小的构件取消或减薄板厚，以便减轻重量 应变能大的区域是高负荷区，一般这里变形也较大，对车身刚度影响较大，要考虑是否需要加强 为最大限度地发挥材料的效用，应该尽可能使材料在结构中的分布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9:25:3263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（半

31、个）结构应变能计算9:25:3264 为了减轻汽车碰撞事故对人类社会造成的危害，各汽车工业发达国家先后制订了相应的碰撞安全法规碰撞安全法规 规定了车辆对车内乘员和路上行人的碰撞保护性能要求 包括正碰撞、侧碰撞和后碰撞等 现在内容不断增加，也更加严格，如固定柱碰撞、翻滚、高空跌落、顶盖碰撞等的法规要求第二节 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9:25:3265 在车身概念设计初期阶段，车身可以被简化为一个空间框架结构，用有限元法求得结构在外载荷作用下各个构件的内力 有限元模型是用梁单元来模拟梁、柱的简化模型第三节 车身结构的力学特

32、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9:25:3266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9:25:3267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可见，在杆长一定的情况下，梁单元的刚度主要决定于梁的材可见，

33、在杆长一定的情况下，梁单元的刚度主要决定于梁的材料和截面性质料和截面性质9:25:3268 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9:25:3269 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，即平面内的两个线位移和一个转角，相应的节点力为轴向力、剪力和平面内的弯矩第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构

34、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9:25:3270 实例-车身框架结构应力计算 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9:25:3271 车身杆件大多是由薄板成型件组成的 杆件截面可分为开口和闭口两类 截面形状和尺寸对其截面特性有很大影响

35、 由刚度矩阵中的系数可见，与结构刚度有关的参数除了材料性质（E、G）以外，主要是截面特性参数 面积A 弯曲惯性矩I 扭转惯性矩J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9:25:3272 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为了计算截面特性首先要为了计算截面特性首先要划分区段（长划分区段（长l、厚度、

36、厚度t），），用截面中的区段连接点用截面中的区段连接点（图中节点）的坐标值定（图中节点）的坐标值定义截面形状，按公式计算义截面形状，按公式计算9:25:3373 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9:25:3374 例：截面特性比较上表中材料截面面积A相等，而形状不同Iy和Wy分别表示对主惯性轴y的抗弯惯性矩和抗弯断面系数，Wk为抗扭断面系数结论结论：在材料面积A和壁厚t保持不变的情况下，闭口截面的抗弯性能稍次于开口截面，但闭口截面

37、的扭转惯性矩要比开口截面大多了第三节 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9:25:3375 截面特性 对于薄板所围成的闭口截面，中线周长一定，材料厚度一定，抗扭惯性矩与A 平方成正比；而截面形状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，当矩形两边之比h/b2时，扭转惯性矩明显下降 设计截面时还需要考虑构成截面的其他因素，如结构功能、配合关系以及制造工艺等等第三节 车身结构的力学特性和力学模型一、车身结构内力

38、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9:25:3376 截面特性 例：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9:25:3377 截面特性 例：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9:25:3378 例-某车侧面主要截面位置及部分截面特

39、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9:25:3379 车身结构中2个以上承载构件相互交叉连接的部位称为节点（或接头）a)A柱至顶盖梁，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 各分支长度，是从接头中心（黑点所示）到构件截割面沿横截面中心线度量 截割面视为刚性平面，用于约束和加载第三节 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

40、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9:25:33801研究接头的意义白车身结构总成是由承载构件、接头和板壳焊接组成构件的截面性质，接头的刚度和板壳的形状和板厚都影响车身的刚度，而且在很大程度上接头决定整个车身的性能研究表明，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9:25:33811研究接头的意义研究接头的意义在于：

41、 指导接头设计。提出接头的设计目标，以及如何设计 研究在车身简化模型中如何模拟接头第三节 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9:25:33822接头力学特性 接头的特性由设计参数表征 设计参数选择 要考虑其用意，不同的设计参数用于不同的研究方面和应用方面 设计参数太多会加重后续的迭代计算量和不同方案的比较工作量 设计参数必须能体现与设计变量的联系，且对车身性能影响明显 如轮廓尺寸：腿长、角度、截面尺寸等 内部结构：焊点布局、零件数、内加强板的布置和设计，圆角半径

42、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9:25:3383 考虑了上述诸多方面，选择了物理意义明确的接头刚度作为设计参数。包括接头各腿的 扭转刚度（TOR） 内/外刚度（I/O） 前/后刚度（F/A）或上/下刚度（U/D）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9:25:3384 “内/外”、“前/后”是指各接头分支端面中心

43、相对车身横向和纵向的方向，具体方向决定于每个接头局部坐标系的选取 分支的扭转方向始终正交于分支的截面，绕其形心轴扭转的方向 A柱分支端面对顶盖接头绕y轴的方向相当于前/后方向（或上/下方向） 绕z轴的方向相当于内/外方向 这三个设计参数影响车身整体刚度，例如内/外刚度值对白车身结构的总体扭转刚度影响较大第三节 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9:25:33853接头刚度的模拟计算1）接头计算模型 接头模型可分为详细接头模型和简化接头模型第三节 车身结构的力学特

44、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9:25:33863接头刚度的模拟计算 详细接头模型 主要采用板单元模拟 一般从用于NVH分析的详细车身结构模型中抽取，用于接头参数化和引导设计 缺点：这种抽取局部模型方法比较方便，但其计算结果误差较大。因为从用于NVH分析的详细车身结构模型中抽取的详细接头模型仍不够细致 可以建立更细化的接头模型也采用板单元，网格更密、更复杂更逼真地模拟几何形状，能更好地参数化除了专门研究接头细节对接头性能的影响，一般很少用这种模型第三节 车身结构的力学特性和

45、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9:25:33873接头刚度的模拟计算 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 用于车身概念设计时将构件用梁单元模拟的简化车身模型 优点：参数少、模型简单、便于更改，适合用于车身设计初期的整车系统分析 缺点：简化技术比较复杂第三节 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9:25:33883接头刚度的模拟计

46、算 简化接头模型例：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9:25:3389图中c是腿1的刚度计算模型；其中e近似代表三支腿（梁单元）形心轴线的交点，约束腿2、3端的全部自由度，在腿1端加单位扭矩来定义刚度3接头刚度的模拟计算 简化接头模型 也可用超单元来描述接头力学特性。因为超单元可缩减接头详细模型的自由度数，便于计算 超单元超单元是将系统或子结构的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，通常称为Guyan减缩。这样可以简化有限元模型

47、而性质基本不变第三节 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9:25:33903接头刚度的模拟计算 简化接头模型接头子结构详细有限元模型a），其刚度方程可以写成式中，Dm为主自由度，将各腿端面的形心看成主节点，有6个主自由度；Ds为副自由度，接头的其它所有内部节点自由度都是副自由度；Fm为作用在主节点上的力；Fs为作用在副节点上的力，在此为零第三节 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

48、数化模型五、车身详细模型六、设计各阶段对模型的要求9:25:33913接头刚度的模拟计算 简化接头模型 接头的刚度矩阵，即减缩的刚度矩阵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。接头通过主节点1、2、3分别与相邻梁单元联接第三节 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9:25:3392 接头截取 从车身模型截取接头时，要正交于构件的轴线 截割平面位置要与相邻梁单元正常连接，并顾及实际接头测试刚度时便于焊接在钢

49、板上 要保持接头完整性，包括它的加强板、翻边和孔第三节 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9:25:33933接头刚度的模拟计算2）接头刚度计算定义局部坐标系 当建立整个接头模型后，要定义用于加载和输出的局部坐标系 为了计算前/后刚度、内/外刚度和扭转刚度，对于不同部位的接头，分别定义局部坐标系第三节 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

50、的要求9:25:33943接头刚度的模拟计算2）接头刚度计算定义局部坐标系 例: 对于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/后方向是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方向应该是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9:25:33953接头刚度的模拟计算2）接头刚度计算将顶盖侧纵梁和前横梁（腿2、3）远端的所有自由度均约束分别在A柱截割端的前/后（或上/下）

51、、内/外和扭转方向施加单位载荷，得到相应的位移或转角，则三个方向的接头刚度值可求 同理可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9:25:33964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，在传力的过程中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%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、

52、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9:25:33974接头刚度对整体车身刚度的影响 车身结构的梁和柱的截面设计对接头的刚度有很大的影响 设计师在截面形状设计时，应尽可能在不增加重量（材料截面积）的条件下，提高截面性质第三节 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9:25:3398 车身结构主要由杆件、接头和地板、顶盖等板壳组成 在简化模型中可以用梁单元、接头单元（由弹簧元和梁单元组成）和板壳单元模拟，建立车身有限元模型第三节 车身结构的力学特性

53、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9:25:3399 简化模型建模第三节 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9:25:33100 概念设计也可用基于性质的参数化模型（PBMProperty Based Models）代表车身力学特性 定义了主要结构的拓扑（布局） 其结构部件，如接头、梁和板壳在节点处连接 在根据结构设计的目标进行性能优化时，不断适时

54、修改PBM 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、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9:25:33101 基于性质的参数化模型（PBM） 在PBM有限元模型中分别用梁单元、代表接头的超单元和代表地板等的板壳单元的力学特性表示 梁的弯曲刚度梁的弯曲刚度用EIy和EIz（主惯性矩乘以材料的杨氏模量）描述，扭转刚度用GJ（即极惯性矩乘以材料的剪切模量）描述 接头刚度接头刚度可按梁单元和弹簧元组合表示，也可用超单元（刚度矩阵Km）描述 板壳单元板壳单元用板

55、厚和材料的弹性模量来描述第三节 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9:25:33102 PBM模型单元参数的确定 通过分析和根据专家经验，考虑设计、制造等，使其初步满足基本的的车身设计要求第三节 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9:25:33103 例：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

56、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9:25:34104 参数化建模（几何、FE） 文件的参数化几何模型生成，模型参数选择，可变精细度 自顶向下（Top-down）的方法，逐步细化 自动生成用于不同分析类型（NVH、碰撞等）的FE模型 总体布置、造型变更后，模型的自动更新 经CAE验证后的数据能够无损地转换为CAD格式第三节 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9:25:34105 参数化建模（几何、

57、FE） 结构件的分类第三节 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9:25:34106 参数化建模（几何、FE） 典型结构件库 智能连接 模型信息的维护和存储数据库第三节 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9:25:34107 参数化建模（几何、FE） 模型数据库第三节 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

58、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9:25:34108 参数化建模（几何、FE） 模型数据库第三节 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9:25:34109 参数化建模（几何、FE） CAE向CAD数据的转换 无损 保持参数化信息第三节 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

59、型的要求9:25:34110 参数化建模（几何、FE） 基本技术构造基本拓扑模型第三节 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9:25:34111 参数化建模（几何、FE） 基本技术断面表达第三节 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9:25:34112 参数化建模（几何、FE） 基本技术接头及连接结构第三节 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9:25:34113 参数化建模（几何、FE） 基本技术全装备车身第三节 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