汽车车身设计-第四章

第四章、车身结构刚度和动力学性能设计*1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*2车身:薄壁结构元件组成、多自由度弹性系统，在外界鼓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，将发生共振振动/共振的影响使乘员感到很不舒适带来噪声和部件的疲劳损坏破坏车身外表的防护层和车身的密封性，从而削弱抗腐蚀性能*3高刚度、轻重量成为当今汽车设计追求的目标高刚度车辆振动特性与车身刚度密切相关有利于悬架对车身的支持，使车辆系统正常工作有利于改进振动特性轻量化节能、环保提高汽车动力性、经济性提高汽车的操纵稳定性〔悬架上的横摆惯量减小〕*4如何到达高刚度/轻重量采用适宜的材料，如：高强度钢车身结构动力学设计与结构动力学相关的根底性能主要是车身刚度特性静刚度动刚度车身刚度最终影响汽车的目标性能NVH〔Noise、Vibration、Harshness〕特性用户界面点响应〔振动加速度、振幅、频率〕噪声〔界面点、外部〕界面点：转向盘、地板、座椅、耳旁、踏板车身结构耐久性〔Durability〕*5车身结构刚度和动力学性能设计一般过程：1〕选定当前有竞争力的同类车型，对性能进行对标分析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，直至获得满足目标性能各方面要求的最正确方案6〕试验验证7〕完善化8〕结论—产品设计的全面评估*6车身刚度整体刚度主要决定于部件的布置和车身结构设计局部刚度主要是安装部位和连接部位的刚度决定于局部车身结构断面形状和采用加强结构等第一节

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*7车身刚度设计是满足车身结构动力学要求的根底车身刚度设计一般内容刚度测试和分析车身整体刚度设计车身局部刚度设计第一节

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*8车身的刚度在整车刚度中占有很大成份，所以尤其要注意车身刚度的影响第一节

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*9整车弯曲刚度整车扭转刚度整车刚度和部件刚度的奉献可以通过测量获得，方法简述如下：1〕整车弯曲刚度：在车身侧围门槛中段对称施加垂直载荷，测量底架的垂直位移2〕整车扭转刚度：在左、右前车轮与地面接触处施加方向相反的力，形成一扭矩，测量底架的垂直位移3〕每个部件的奉献：通过逐个撤除部件而测得的结果与整车刚度进行比较第一节

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、车身局部刚度车辆部件的刚度奉献实例车身的刚度奉献最大；前悬架横梁，前风窗和后背门有超过10%的奉献，“其它〞部件奉献很小*10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*11样车的固定及安装调整白车身按实车装配副车架、前后悬架装置螺旋弹簧和减振器锁死或用刚性件代替将转向节经夹具与前轴支架的横梁连接，将后桥直接固定在后轴支架上，再对整车进行水平调整第一节

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*12固定形式〔左后轮〕固定形式〔右前轮〕洞口变形测量加载方式-弯曲加标准分布载荷，或在车身中部附件一点或两点加集中载荷等第一种方法主要用来考察车门开口局部的变形，大多与静强度试验一起进行第二种方法那么用来求车身的刚度值额定满载、超载、均布、或集中载荷金属重块、沙袋、加载装置加载方式-扭转固定后轴中心位置，由前轴中心加扭矩固定车身后端，由前端加扭矩按照上两种情况同时加扭矩等整车的支撑加扭是通过升高或降低某一车轮支撑使被测车使四个车轮不处于同一平面实现的，骨架车身那么通过扭转试验台第一节

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*13测点的选择测点分布在车身主要承载部件上〔前后纵梁下方、门槛梁下方、前排座椅处底板下部、前围板下部〕，间距300mm在测点处布置位移传感器，测量车身弯曲变形时产生的垂直变形，在前后窗口、左侧门洞口布置对角线测规测量对角线变化安装间隙的消除试验前对已装在试验台架上的样车以最大载荷的一半预加载一次，而后卸载，以消除安装间隙第一节

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*14评价指标弯曲第一节

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*15各部位变形量要求评价指标扭转第一节

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*16各部位变形量要求测量结果-底架梁变形曲线第一节

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*17根据对已有车型的试验分析，研究整车刚度的匹配和车身刚度的匹配通过对标分析，为新车型的刚度指标提供参考当新车型各主要部件的结构和刚度匹配确定后，即可获得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分析车身各子部件对车身刚度的奉献，进而确定部件的刚度指标第一节

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*18例：前风窗由顶盖前横梁，风窗下横梁、A柱及玻璃等组成在车身经受扭转时阻抗四边形变形，对整车扭转刚度奉献达15%，对整车弯曲刚度奉献为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*19例：地板的中间通道构件对整车弯曲刚度奉献8%，对扭转刚度奉献7%，奉献来自于它有约束通道横向张开作用的通道横向构件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*20车身整体刚度主要指车身的弯曲刚度和扭转刚度第一节

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*21车身整体刚度的开展趋势良好的车身刚度能防止结构在载荷作用下产生大的变形例：转向柱或座椅等大的位移，或车身结构与车室内空腔发生声固耦合的变化而引发高的噪声良好的整体刚度，尤其是扭转刚度，也是汽车操纵性所要求的第一节

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*22车身整体刚度设计方法〔一〕构造车身根本结构，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*23在概念设计阶段，结构设计可以基于当前有竞争力的参考车型结构，考虑材料、工艺等先进技术的采用，顾及车辆总体布置和造型的要求。在数据库支持下初步建立结构拓扑〔布局〕和几何尺寸的CAD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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*24为了分析结构刚度，需要根据结构的CAD模型，建立有限元概念分析模型概念设计时采用简化的有限元分析模型设计参数少，便于在结构优化中反复迭代计算周期短，还便于结构修改例：基于参数的PBM模型是很好的简化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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*25结构概念设计阶段是对结构不断优化的过程通过优化计算和经验设计，适时修改模型；直到模型的各局部的性质得到合理的匹配，满足总的刚度设计目标；并同时顾及设计、制造等其他要求优化后模型的各局部性质就是下一步车身详细设计的指南如PBM：反复计算和修改PBM直到满足性能目标要求的过程就是优化过程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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*261.优化目标车身刚度优化的目标是高刚度/轻重量刚度要求对标确定的静刚度指标车身结构的一阶弯曲、一阶扭转模态频率一阶频率与车身刚度和质量密切相关，并以很大的成份影响车身的动态特性轻重量设计通过应变能计算和分析每个组件〔或局部材料〕的奉献对一些变形大或应变能大的零部件采用加强板，改变截面尺寸或增加板厚，而对应变能小的零件可以撤除或减小板料厚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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*272.灵敏度〔Sensitivities〕和灵敏度分析量化研究灵敏度，选择较灵敏的变量或部位进行修改，引导结构优化的方向构件截面特性对材料几何尺寸变化的灵敏度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、板厚变化的灵敏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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*28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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*29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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度由薄板围成的截面其板厚变化只是微量的改变〔摄动〕，因此，惯性矩增量和板厚增量之间的关系可近似为线性当截面外形尺寸已定，可以通过改变组成截面的各零件板厚，找到对截面特性最灵敏的零件，以便优化获得满足惯性矩要求的最小材料面积；或在限定的材料面积下，提高截面惯性矩，从而提高车身刚度*30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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*31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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*32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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*33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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*343.整车接头优化①根据竞争车型对标分析结果，确定新车型的车身NVH性能水平，并初步分派各接头刚度指标②参考样车和经验数据，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〔本钱、重量〕优化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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*353.整车接头优化④根据材料单价和重量，估算初步设计接头的总本钱，提出优化价格目标——本钱约束⑤基于冲压的可行性和工程判断决定板厚的上限和下限——尺寸约束⑥对各接头进行刚度关于板厚的灵敏度分析。对不灵敏的零件减重〔减小板厚〕；对灵敏的零件作为提高刚度的对象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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*363.整车接头优化⑦输入量，在约束变量的限制下迭代计算，最终收敛于一个可行解，输出新的接头总本钱、重量和刚度值。然后对新的结构进行CAE计算，评估是否满足整车的目标性能要求如果满足那么释放设计的零件反之，根据新的接头刚度及其灵敏度需再调整尺寸或本钱约束条件，再进行分析和评估，直到满意为止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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*373.整车接头优化-实例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个车身板零件分析的目标：在低本钱下满足接头目标刚度要求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。优化结果见表4-1，由于减小了一些零件的板厚(Δt为负值)，使本钱节约8.77美元，而接头刚度却有所提高。然后应根据新的接头刚度验算车身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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*383.整车接头优化-实例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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*39车身整体刚度设计过程总结1〕对竞争车型测试参数；2〕刚度研究，注意到整车刚度匹配和车身刚度的匹配，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，包括静态扭转刚度和弯曲刚度计算车身一阶弯曲和扭转模态频率通过灵敏度分析和应变能分布图，进行各部件的奉献分析，在此根底上进行平衡，再布置构件确定根本尺寸5〕通过优化计算，获得最小重量下的位移、应力、模态频率。为满足目标刚度要求，需要屡次反复修改结构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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*40车身整体刚度设计过程总结简化的参数化模型不能用于细化结构形状的评估或进一步研究细小重量的减轻一定要建立全网格板单元模型；用它可以提高计算结果的精确性并充分地探讨零件的形状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〔一〕构造车身根本结构，并建立概念设计模型〔二〕车身刚度优化三、车身局部刚度*41概念：车身局部刚度指车身结构安装和效劳部位的刚度悬架、发动机、传动系的安装部位拖钩、吊挂、装运、千斤顶作用部位平安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*42悬架支承部位的支座〔Mount，悬置〕刚度是车身结构重要的安装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，并便于这些总成和车身结构之间的支承和协调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〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*43一般根据车身支承件〔悬架弹簧〕的刚度决定车身结构支座区域的目标刚度基于车身耐久性的考虑，根据国外经验，有人推荐车身支座区域的目标刚度取为相应的支承件刚度的5倍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〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*44在车身刚度设计时，必须对支座区域刚度进行有限元分析，计算这个区域车身坐标系XYZ三个方向的刚度和应力计算模型是从白车身模型上截割下来的，截割区域大小有统一的规定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〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*45例：车身支座模型Z方向的刚度一般远小于其它两个方向的刚度支座结构Z方向刚度对车身结构的动力响应和耐久性影响很大，在车身结构设计时必须将它的刚度值与现有车型进行比较，通过安装点的动力传递率〔点机械导纳PointMobility〕计算和车身NVH性能验算来确定方案；最后还要计算疲劳应力XY平面内的刚度也要适当考虑车身横摆、后碰撞等对支座结构刚度的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〔一〕车身支承部位刚度〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*46大型板壳零件〔如地板、挡板、顶盖等〕的刚度缺乏，不仅易引发板的振动，尤其是发生共振时板的低频响应使车身内部产生很大的噪声，令人感觉很不舒适，还会造成部件的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〔一〕车身支承部位刚度〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*47设计上的考虑板壳零件的刚度取决于零件的板厚及形状曲面和棱线等的造型及拉延成型过程零件材料的冷作硬化，对提高刚度有利，平直的零件造型是不可取的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〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*48设计上的考虑可在内部大型板件和不显露的外覆盖件上冲压出各种形状的加强筋在平的或稍鼓起的零件上，沿零件对角线方向布置加强筋可以使零件在所有方向刚度得到提高采用交叉筋时要防止交叉处产生大的应力集中在交叉处用半径大于2倍筋宽度的圆弧来过渡，或者不用交叉筋，如图a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〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*49设计上的考虑加强筋〔Cont.〕排列加强筋要不能有通过筋间的空间直线如图b。由于存在x—x或y—y方向直线空间，不能到达增强刚性的目的;而图c的布置方式较好为减轻弯曲零件的回弹，可以垂直于零件的弯曲轴线方向布置条形筋，见图d，或在弯曲部位压出三角筋筋的刚度主要取决于它的形状。为防止拉延时破裂，深度不宜太大，原那么上应满足板料拉延成型所允许的条件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〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*50设计上的考虑加强筋〔Cont.〕加强筋的轴线宜直，否那么在振动时会引起扭转。为防止大的应力，要注意设计筋两端出口的形状。见图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〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*51设计上的考虑假设外覆盖件上不允许出现加强筋，可以在零件上贴装加强板，如图a所示可用沉孔来加强刚度，见图b。沉孔还可以提高零件焊接过程中的操作性和接近性，又可减轻重量。加工沉孔是先压延后冲孔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〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*52当受力杆件的截面发生突变时，就会由于刚度突变引起截面变化处应力集中应力集中可能诱发进展性裂缝，导致疲劳损坏，是车身结构损坏的原因之一在结构设计时要防止截面急剧变化，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〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*53例：为了加强底架纵梁弯曲局部的刚度和强度，在梁上装一加强梁，但由于在加强梁两端a-a和b-b处刚度突变，易出现应力集中而断裂假设将加强梁两端的形状改为类似双曲线形〔如虚线所示〕，那么这种加固会使应力均匀些当纵梁从封闭截面过渡到开口截面时，加强梁端部也应作类似处理，或者由纵梁腹板逐渐过渡到加强梁腹板〔图b〕假设不采用加强梁，而将纵梁截面逐渐加高，从加强的观点看效果最好，并可减轻质量〔图c〕，在梁截面的中心线附近冲孔不仅减轻质量，面且对强度影响很小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〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*54车身承载杆件上往往需要开一些孔洞，以便安装各种导线、管道和机构等这些孔洞将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〔一〕车身支承部位刚度〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*55在车身上有许多受有集中力需要使用加强板的部位，如固定车门铰链的地方、悬挂操纵踏板处等。应合理设计加强板的大小和厚度加强板太小，缺乏以将集中载荷通过加强板分散到较大的面积上；加强板太大那么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，否那么在加强板边缘由于刚度突变会引起应力集中而出现裂纹，且对焊接强度也是不利的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〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*56前、后悬架在车身上的固定点是载荷的传入点。由于力流集中，要非常细心地处理车身支承部件〔前、后轮罩〕的设计为起到良好的支承作用，将轮罩零件板厚分级，即支承部位板厚逐级加大；或采用拼焊板，既加强刚度，又控制了应力集中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〔二〕板壳零件刚度〔三〕防止结构中的应力集中*57无阻尼单自由度系统在初始鼓励作用下，将以固有频率在某一种自然状态下进行振动多自由度系统具有与自由度数相等数量的位移形状—固有振型每种振型对应有唯一的固有频率系统的振动特性可用固有频率和固有振型来表示无阻尼自由振动系统的特性分析又称模态分析，模态概念是振型概念的推广第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*58车身的振动特性分析基于有限元法和线性振动理论根据结构的有限元模型所用单元的刚度特性，组合整体刚度矩阵[K]；将各单元的均布质量和阻尼集中到单元的各节点上，组合成结构总质量矩阵[M]以及结构的总阻尼矩阵[C]随时间变化的外载荷也都移置到相应的节点上，形成载荷列阵{P(t)}应用虚功原理写出有限个自由度的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〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*59车身的振动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〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*60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的一般运动都可以表达为各阶固有振型的线性组合对应于较低频率的固有振型〔低阶振型〕，对构件的动力影响大于高阶振型，也就是说，低阶成分的振幅较大；且求解系统的高阶特征值，势必花费更多计算机时一般车身工程结构，在模态分析时只求低阶的振动频率和振型；除非研究NVH特性时需要计算中、高阶频率第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*61车身的振动特性分析1．车身整体振动模态车身系统的低阶振型可能是扭转振型或弯曲振型某些大型轿车的非承载式车身结构，最低阶的振动有可能是低于20Hz的扭转振动整体扭转刚度较大的车身结构，最低阶振型有可能是车身的垂直弯曲振型例承载式车身一般要求一阶扭转频率大于30Hz，一阶弯曲频率大于40Hz第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计一阶弯曲振型〔两个节点，频率为20~40Hz〕二阶弯曲振型〔三个节点，频率为30~50Hz〕*62车身的振动特性分析1．车身整体振动模态轿车各局部的固有振动频率和激振频率的分布图〔假设各子系统固有频率是不耦合的〕第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*63车身的振动特性分析1．车身整体振动模态轿车各局部的固有振动频率和激振频率的分布图车身低阶模态频率大致在20~50Hz。汽车在轮胎上的振动频率及发动机在其悬置上的振动频率等，与车身低阶模态频率很接近，车身设计要非常注重结构低阶模态频率的设计注意提高车身整体的刚度和部件刚度修改结构，使车身或部件的模态频率避开鼓励频率，防止共振通过模态振型可以判断出车身振动变形较小的部位；在这个部位〔节点处〕振动响应较小，如果将动力总成等的悬置点设置在这些部位，从隔振的角度看是有利的在车身装上内饰件后，车身的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〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*64车身的振动特性分析2．部件模态分析设计车身部件刚度时，往往需要对结构方案进行分析比较如果车身刚度分布不均衡，不适应质量分布，其模态频率就会下降例：假设轿车前车身开口局部〔装有集中质量的车头〕与乘员室连接处的弯曲刚度较弱当不平路面鼓励引起的汽车在悬架上的振动频率与车身整体模态频率接近时，就会产生前车身抖动〔弯曲振型的组合〕第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*65车身的振动特性分析2．部件模态分析-实例：前车身结构分析从三种车型的有限元模型上切割下前车身,在切割处约束全部自由度

对三种模型进行模态分析,确定新车型前车身的设计刚度和模态频率是否满足要求第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*66车身的振动特性分析2．部件模态分析-实例：前车身结构分析分析比较的内容:前五阶正交模态四种工况静刚度，包括：扭转刚度和整体坐标X、Y、Z方向的弯曲刚度扭转刚度计算时，单位载荷沿正、负Z方向，分别作用于车身模型的左、右前支承处弯曲刚度计算时，单位载荷分别沿X、Y、Z方向作用于车身模型的两个前支承处第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*67车身的振动特性分析2．部件模态分析-实例：前车身结构分析按原来车型车头结构设计新车型不能满足NVH性能要求根据计算所得模态应变能图和邻近外表的变形图可以看出，前车身横向弯曲模态频率低的原因主要是由于车室与前车身结构之间绕垂直轴的刚度缺乏所致第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*68车身的振动特性分析2．部件模态分析-实例：前车身结构分析采用加强车头与车室连接部位的刚度，或改变该处载荷路径使力流分散的方法，可使新设计车型前端刚度和横向模态频率大大提高加强后的新车型前车身的前两阶模态频率要比原车型和竞争车型高很多，而重量却比原车型低了4.7公斤第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*69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容易在振源鼓励〔例如发动机的振动、汽车行驶时传动系的共振、噪声波的冲击等〕的作用下，引起板壳的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，或处于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，引起气动压力变动，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〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*70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〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*71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〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*72动力学分析如果计算系统在鼓励下的响应，即求方程的通解，它是由齐次方程的通解与非齐次方程的特解叠加而得应采用车身整备模型〔即包括在汽车上所有非结构的标准装备质量的模型〕，并输入激振力或道路功率谱密度响应：速度、加速度、位移、应力时间历程分析〔振型叠加法、直接积分法等〕响应谱分析〔模态响应〕频率响应分析第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*73试验模态分析是通过振动模态试验获得表征结构动态特性的模态参数的一种动态分析方法对于结构动态特性的预测、测试和修改，试验模态分析是最重要的技术之一通过对结构的模态试验获得模态参数,为结构设计和改型提供动态根本参数,进行结构的振动特性分析和优化设计等模态分析的关键是获得精度高,可信度高的频率响应函数第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*74第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*75传递函数通常用于单输入、单输出的系统，主要用在信号处理、通信理论、控制理论传递函数经常用于线性时不变系统〔LTI〕实际系统根本都有非线性的输入输出特性，但是许多系统在标称参数范围内的运行状态非常接近于线性，所以完全可以应用线性时不变系统理论表示其输入输出行为第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*76传递函数对于最简单的连续时间输入信号x(t)和输出信号y(t)来说，传递函数所反映的就是零状态条件下输入信号的拉普拉斯变换

X(s)与输出信号的拉普拉斯变换

Y(s)之间的线性映射关系H(s)就是此线性时不变系统的传递函数第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*77频响函数在信号分析与处理中，通常感兴趣的系统的频率响应，这时候经常使用频响函数来表示系统对于不同频率谐波的响应特征频响函数通常用傅里叶变换表示，傅里叶变换是s

=jω的双边拉普拉斯变换的一个特例频率响应H(jω)可分解为幅频响应A(ω)和相频响应φ(ω)频响函数实际上是线性系统的稳态响应分量，只有再加上瞬态响应分量，才构成系统的全响应，即系统的传递函数第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*78测试系统的组成汽车模态测试中主要应用单点激振分析单点激振模态测试系统组成：激振局部,包括信号发生器、功率放大器和激振器等信号测量和数据采集记录局部,包括加速度传感器、阻抗头、电荷放大器和A/D数据转换和记录装置等信号分析和频响函数估计局部,由模态分析软件和计算机硬件组成第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*79测试结构的支承结构在实际的工作环境中总是处于一定的约束状态,因此试验时首选模拟真实约束状态的支承方式注意要使铰支等地面支承的根底刚度足够大,一般要求振动响应只包含数万赫兹以上的频率成分如果难以实现,那么要考虑替代支承方式替代支承方式常常是模拟自由状态的软悬挂支承方法软悬挂可以通过弹性绳吊挂或利用弹性根底来实现要保证刚体模态的最低阶频率低于结构自身第一阶弹性模态频率的10%～20%使可能参与振动的质量尽可能小第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*80结构激振激振方法多点激振：有助于提高测试结果的精度,但通常采用单点激振也可满足测试要求单点激振：激振位置固定不变,激振器夹具的操作和调整比较省力激振器分为接触式的激振器和非接触式的鼓励锤激振器：优点：可根据各种鼓励信号对结构进行激振缺乏：连接结构复杂,运动部件参数会影响测试结果鼓励锤：简单实用,可提供脉冲鼓励信号由锤头、力传感器，附加质量和锤柄组成。锤头选用不同的材料、质量、硬度、速度和作用时间，可使脉冲频谱的宽度不同优点：快速简便,适合于外场测试缺点：鼓励能量难以控制,鼓励幅值受限制第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*81结构激振鼓励信号模态试验对鼓励信号的要求包含足够的鼓励成分有足够的幅值水平在结构存在微小非线性因素时,具有一定的抗干扰能力常用的鼓励信号是正弦鼓励信号(扫频和步进)、随机鼓励信号(宽带、周期和瞬态)与脉冲信号各种鼓励信号各有优缺点,应该结合实际情况合理选用,选择时需要综合考虑多种因素决定激振位置激振点选择的总原那么：使激振力易于向结构的各个部位传递避开振动节点、结构薄弱环节和支承点安装方便第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*82结构激振激振器的安装底座应与刚性好的根底刚性结合在一起,运动局部与被激振结构连接在一起为保证激振力的单向传递和对激振器的“过载保护〞作用,应在激振器和力传感器之间增加具有足够大纵向刚度与很小侧向刚度的连接杆,并施以适当的预紧力第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*83传感器及其安装模态试验对传感器的根本要求动态范围宽工作频段宽,低频性能好抗干扰能力强灵敏度好,线性度好体积小,质量小一般测量动态响应采用压电式加速度传感器,测量鼓励力采用阻抗头压电式传感器，利用压电晶体的压电效应将机械量〔力、加速度〕转换为电荷量，经电荷放大器放大并以电压量输出采用压电式传感器时，需要与其配备前置放大器。放大器分电压放大器和电荷放大器传感器的安装应保证,具有足够刚性且不增加结构质量的前提下,测量规定方向的真实制动信号。需要根据测试要求和实际情况合理选择固定方式第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*84响应测点布置测点位置、数目和测振方向确定的根本原那么：能明确显示研究频率范围内的结构模态振型保证研究的关键点在测点范围内测量方向一般与激振方向一致第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*85试验模态分析应用第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*86试验模态分析应用车身振动模态是结构的固有特性，白车身振动测试〔模态识别〕大多采用自由—自由方法，也就是说可用软底座支承或软弹簧悬挂，使刚体模态频率接近于零标准车身装备的振动模态识别一般是采用支承-支承方式，测试时用轮胎和悬架装置支承第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*87应用试验模态分析验证和修改CAE模型第二节车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性〔一〕振动模态分析〔二〕车身振动响应分析〔三〕振动特性测试二、车身结构动力学性能设计*88车身刚度和模态都不是最终的评价指标汽车的性能指标应表达在实际汽车使用性能的最终综合水平在设计的最初阶段，应对有竞争力的同类车型进行实际考察和评价，并具体测量驾驶员界面点的振动响应特性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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*891．主观评价汽车的乘坐舒适性最终表现为人体的感觉由专家实际驾驶和主观评价的方法在汽车振动性能的研究中起着重要的作用对主观评价认为最好的车型要进行客观测量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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*901．主观评价例：某公司新敞篷车设计，对7种竞争车型进行评价专家驾驶竞争车型，先后以低速、高速行驶于粗糙路面上选择转向盘、座椅、后视镜等驾驶员界面特征点，对其振动特性进行主观评价驾驶者对7种车型〔A、B、C、D、E、F、G〕在粗糙路面上对转向柱振动打分，共分10级，第10级最好等级是以G型车为标准进行归一化比较而得到，黑色带是80%置信区间，可明显标识出差异由图可见，7种车型中对D型转向柱振动特性的主观评价最好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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*912．道路响应测量在与主观评价时同样的路面上对三种车型(包括原敞篷车、闭蓬车、硬顶D型车)的道路响应测量图示了三种车型以72kph车速行驶时，在0~50Hz范围内的转向柱振动加速度响应。D型车的响应最低，证实了主观评价的正确性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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*922．道路响应测量结构模态频率是影响结构动力学性能和乘坐感觉的关键指标三种车型的一阶振动模态频率分别是：原敞篷车为13.9Hz(扭转)、闭蓬车为16.1Hz(弯曲)、硬顶D型车为22.1Hz〔弯曲〕D型的一阶模态频率最高，这也是该车主观感觉最好的主要原因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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*93根据测试同类竞争车型所获得的指标，为新车设计提供了一个清晰的动力学性能水平NVH〔Noise、Vibration、Harshness〕特性用户界面点响应〔振动加速度、振幅、频率〕噪声〔界面点、外部〕界面点：转向盘、地板、座椅、耳旁、踏板质量从这个水平出发，考虑到其它要求，可确定各项性能指标，作为结构设计的指南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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*94其它性能要求，如：碰撞平安性遵守标准，碰撞空间和碰撞力的级别等用于指导碰撞区构件截面尺寸的选择和结构设计耐久性例如，要求行驶10万里结构不丧失功能特别注意悬架、传动系和其他大部件支承处的强度和疲劳要求疲劳可靠性要求能经受住30万里的当量里程布置、重量、工艺等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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*95关键：弄清整车性能要求与部件设计参数〔如构件布置尺寸、材料厚度和截面性质等〕间的关系PBM。PBM用于调整部件的性质，直到满足整个结构性能要求这些部件性质确实定为结构设计指明了方向这个过程不能获得确定的设计，只是为后续优化设计提供一个初始方案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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*96所提出的车身动力学性能要求，应分派到各子系统和部件，由子系统和部件的性能保证将来整车性能目标的实现分派指标时需要做如下工作：1．模态研究与控制〔模态分布图设计〕2．建立系统模型3．动力学计算分析4．分析流程5．性能平衡6．结构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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*971．模态研究与控制〔模态分布图设计〕车辆振动响应：车辆子系统和零部件的简谐振动的函数，并与道路或发动机鼓励等彼此作用的结果必须控制上述简谐振动的频率，使其互不耦合并避开通常的鼓励频率需要根据对标分析、数据库的数据支持，设计一个模态分布图标明频域中各子系统的模态，及其与输入〔鼓励〕的关系对这些谐振特性和防止耦合的管理〔控制〕是建立低响应的根底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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*981．模态研究与控制〔模态分布图设计〕例：某车型的模态图模态间的线段指出了为使耦合最小而应该隔离的部件模态要注意一阶车身垂直弯曲和扭转模态频率接近悬架和动力总成的固有频率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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计激振频率和子系统模态分布图1.车身在悬架上2.人坐在座椅上3.乘员人体〔组织器官〕4.发动机在悬置上5.悬架子系统6.车身结构弯扭7.动力总成子系统8.转向柱子系统9.风窗子系统*991．模态研究与控制〔模态分布图设计〕模态研究与控制〔模态分布图设计〕提供了制订一系列子系统模态匹配的方法，为各子系统定下了振动特性的基调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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1002．建立系统模型在设计的各个阶段,建立相应的系统有限元模型，用于计算和评估性能水平系统模型有如下几类：①车身概念模型②整备车身模型③车辆系统模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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1012．建立系统模型①车身概念模型早期模型通常是个简化模型其结构参数少仅仅是描述白车身便于各方面的评估和完成概念设计用途选择构造；该构造既要在刚度/质量方面具有潜力，又要考虑碰撞、耐久性、组装和制造等方面的约束采用先进技术可行性分析研究概念模型是结构研制过程早期的集成可能存在有几个概念模型版本，用于不同方案的比较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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1022．建立系统模型②整备车身模型(Trimmedbodymodel)概念模型一般不能用于分析动力响应性能。响应分析必须采用整备的车身模型将与结构无直接联系的非结构质量，如电子系统，内、外附件，燃油系统等，按集中质量或分布质量附加到车身结构上的模型考虑地毯、内饰等结构的阻尼影响整备车身模型通常用于仿真计算和优化构造研究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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1032．建立系统模型③车辆系统模型车辆系统模型=整备车身模型+所有用橡胶垫割开的子系统包含模态分布图中全部谐振子系统和全部质量用于寻求适宜的车辆加速度响应在整车性能仿真计算时采用的车辆系统模型是整车刚弹耦合模型，或者多体动力学模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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1043．动力学计算分析1〕正交模态计算系统模型中所有子系统的正交模态，并按模态分布图进行匹配和设计调整，直到满足模态要求尤其要注意车身一阶弯曲模态和一阶扭转模态的目标要求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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1053．动力学计算分析2〕频率响应有限元，计算驾驶员界面点的响应。并可与竞争车型的测试值进行振动幅值比较根据目标级要求，进行结构方案修改。尤其是对驾驶员很敏感的响应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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计例：转向盘的抖动；为了降低响应，在设计时尽量提高转向柱安装支架的刚度，并增大上、下支架的距离L1，以避开怠速时发生共振*1063．动力学计算分析2〕频率响应计算实例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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计悬架支承部位的车身结构局部刚度对车身动力响应影响很大在车身设计的第二阶段还需要评价所有车身安装点的传递特性进行分析*1073．动力学计算分析2〕频率响应计算实例车身安装点结构的两种方案在100-400Hz的鼓励频率范围内的速度响应分析结果，表示在x、y、z三个方向的速度响应级速度响应与参考速度响应比值的对数函数参考速度响为1mm/sec-NdB为负值说明通过车身安装点能量衰减，所测得的速度响应低于参考响应值目标要求〔粗实线〕是根据NVH性能要求提出的。可见在y方向和z方向的100-190Hz鼓励频率范围内，原车身安装点结构的动力响应〔虚线〕没有完全到达目标要求，会影响总体性能，新结构有了改进〔细实线〕在确定方案时应通过对系统NVH性能的验证，再决定是否需要对该车身安装点的局部刚度进行适当加强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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1083．动力学计算分析3〕灵敏度(Sensitivities)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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1093．动力学计算分析3〕灵敏度(Sensitivities)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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1103．动力学计算分析3〕灵敏度(Sensitivities)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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1113．动力学计算分析3〕灵敏度(Sensitivities)②灵敏度应用在结构动力学设计时，灵敏度用于引导车身模态频率的设计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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1123．动力学计算分析3〕灵敏度(Sensitivities)②灵敏度应用例：接头刚度对板厚的灵敏度分析；进而分析前几阶白车身振动模态对接头刚度的灵敏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〔一〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1133．动力学计算分析3〕灵敏度(Sensitivities)结论通过灵敏度分析将设计参数与部件性质联系，使得可以从结构整体而不是分割地观察结构。灵敏度信息很简明，而且在研究复合响应和确定载荷路径时很有用例：对鼓励变形最灵敏的接头是最危险的接头刚度部件，应注意提高其刚度对相对变形大而且灵敏度低的接头，那么说明结构的效率低，不能充分发挥作用，或者结构不连续，应该考虑重新设计如果灵敏度值比较均匀，说明设计中结构平衡较好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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1143．动力学计算分析3〕灵敏度(Sensitivities)结论系统模型也用于计算驾驶员界面响应对结构模态频率的灵敏度；从中可看出对界面响应影响较大的子系统，或对于优化子系统模态频率最有效的修改结构的部位或修改方向例：某车型正碰保险杠时座椅轨道处加速度峰值和响应均方根值与结构一阶弯曲和一阶扭转模态频率的曲线关系峰值表示车辆结构弯曲和扭转模态频率应远离17-20Hz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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计1-加速度峰值

2-响应均方根值图中B10/T12表示弯曲频率为10,扭转频率为12*1154．分析流程对于每个构造方案，其子系统和部件特性设计都需按顺序进行，从初始设计、调整到完善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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1165．性能平衡设计和优化每个子系统时，其结果有时不能满足车辆的其它方面的要求，必须采取折衷的方法改变系统模型使车辆的各方面性能得以平衡所有设计决策都应在对整车的动力学性能影响具有定量认识前提下做出例：原设计方案采用垫片螺钉连接方式，方便、通用装配厂要求将复杂的垫片螺钉连接方式改为采用粘接通过折衷，设计者同意选择粘接方案，是因为认识到采用粘接能提高结构的模态频率并减小重量性能平衡是很细致的工作，决策者对此有全面的认识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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1176．结构优化利用有限元分析、设计灵敏度分析和数值优化算法，迭代，更新结构设计参数适时更新设计灵敏度，确保有效收敛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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1186．结构优化结构优化用于车辆的整个开发过程设计初期注重高刚度/轻质量。设计后期优化结构时，将碰撞性能、耐久性和其它非性能要求都作为分析整备车身模型时的约束条件为满足碰撞和耐久性能的要求，以限制最小板厚为条件；为满足布置要求〔如视野，油箱容积，室内空间、踏板布置，进出方便性等〕，往往限制梁、柱的截面或拓扑尺寸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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计将多方面要求集成在一个分析模型中进行质量优化和性能评估*1196．结构优化设计初期：利用简化分析模型优化设计的参数是截面尺寸、接头刚度和零件板厚设计后期：利用板单元模型时截面或拓扑的尺寸已经定下来了，只有板厚是设计参数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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1206．结构优化近几年计算能力和软件功能增强计算机容量和计算速度有很大开展自动划分网格的软件功能成熟模型的演变——设计早期不使用梁单元简化模型，而直接建立板单元模拟的组合整体模型，用于结构性能优化设计减少简化模型带来的一些技术的上麻烦提高设计和计算精度，缩短设计周期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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1216．结构优化近几年例：板单元模拟的组合整体模型，用于结构性能优化设计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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1226．结构优化近几年例：板单元模拟的组合整体模型，用于结构性能优化设计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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*1236．结构优化近几年例：板单元模拟的组合整体模型，用于结构性能优化设计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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计*124结构设计分三个阶段结构方案选择结构研究结构设计完善前一个阶段的成功为下一个阶段设计奠定良好的根底共同特点都是围绕车辆低阶弯曲和扭转模态频率等性能要求进行研究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〕主观评价和客观测量〔二〕确定性能指标〔三〕性能综合〔四〕结构动力学设计〔五〕结构设计左图说明随着设计完善，频率范围逐渐收敛*125某公司C5敞蓬车车身设计实例，说明结构设计的三个阶段背景：根据对竞争车型水平的研究，公司提出了新设计敞蓬车的性能要求一阶结构模态频率是21Hz二阶结构模态频率不得小于23Hz这是一般轿车的水平，但对敞蓬车那么是史无前例的由调查的数据可知，与新设计车型尺寸类似的敞蓬车，一阶扭转模态频率在11~17Hz。显然，新设计要实现高水平的刚度/质量目标，必须对结构设计付出很大努力第三节

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*126设计C5的根底是C4敞蓬车，其一阶结构模态频率是13Hz，比目标低了8Hz设计者在最初阶段基于竞争车型和原车型〔C4〕载荷路径的了解，首先力图改进C4的结构采用连续的通道结构焊接闭口截面的保险杠仪表板和座椅背后附加闭口截面横梁有效地构造前后扭矩盒等这就形成了C4的四种不同的加强方案，使一阶频率提高4~6Hz四种方案中，对提高刚度/重量最有效的方案是采用地板的中间通道结构；虽然这个方案受到C4内部布置上的限制，但对C5设计指出了方向第三节

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*1271．结构方案比较和选择结合参考竞争车型结构和新制造技术可行性的研究，提出了几个新设计的结构方案所有这些方案都满足总布置、制造、耐久性和碰撞平安性要求每个方案都在一阶结构模态频率为21Hz的约束条件下，进行最轻重量的优化第三节

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*1281．结构方案比较和选择三个方案1〕整体焊接框架构造；2〕螺钉连接车身构造方案；3〕通过橡胶垫连接车身的构造方案特点都有中间通道〔脊梁〕，但车身周边梁与通道脊梁的连接方式不同方案c是非承载式车身。方案b是半承载式车身。方案a是承载式车身，将车身周边框架和脊梁结合，成为一个连续纵梁、闭口截面构件和中央通道结构相结合的方案第三节

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*1291．结构方案比较和选择1〕方案比较对三个构造方案，都建立最简单的模型〔方案c有基于同一个底盘的四个版本C.1、C.2、C.3、C.4〕各方案初始截面尺寸和板厚相同，都采用原先C4的典型截面或参考样车的经验值，以此为根底进行优化第三节

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*1301．结构方案比较和选择1〕方案比较优化结果第三节

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曲线1可见，整体框架结构的一阶结构模态频率约为方案C.4版本的模态频率的两倍；螺钉连接方案的一阶频率比整体框架结构的一阶频率低20%曲线2可见，C.4版本方案的一阶结构模态优化频率不能超过18.5Hz，其它两个方案在一阶模态频率均为23Hz时，螺钉连接结构方案重量要比整体框架结构重38kg曲线1—重量约束为300kg时使频率最大化的结果曲线2—一阶结构模态频率都约束在23Hz时，对三个方案进行重量优化的结果*1311．结构方案比较和选择2〕方案选择比较可见，周边框架和通道结合的整体焊接框架结构的重量效率最高，且其构造明显具有高刚度/轻重量的潜力。再考虑抗碰撞性，耐久性，以及布置、加工和本钱等要求，选择整体框架结构作为新设计C5的结构方案第三节

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*132包含主要承载构件的初期结构草图1．结构方案比较和选择2〕方案选择确定结构方案后，新设计的特征就固定下来表达在从前横梁到后横梁之间的连续纵梁及周边框架的路径布置，通道路径和周边梁之间的连接构件〔如剪力板、横梁等〕的位置等下一步：研制详细载荷路径的尺寸和板厚，使其满足所有车身结构性能要求第三节

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*1332.分析模型更新用于选择车身结构方案的概念分析模型，只是车身拓扑结构粗模型，或是PBM模型中梁单元截面的初始参数值是参考先前C4典型截面或经验值从这些截面尺寸和板厚的初始值出发开始结构拓扑优化设计描述接头的弹簧元或超单元的初始值由参考车型局部接头的详细模型导出如果在还没有详细的接头模型，那么接头刚度可参考先前类似结构的数据或经验取用第三节

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*1342.分析模型更新随着设计逐步细化，分析模型也并行地进行改版，使分析模型更详细第三节

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*135结构概念设计阶段靠近末期的概念分析模型〔PBM〕，是整备车身分析模型，但还不是详细模型3.多目标优化车辆结构的其它性能，如碰撞性能和耐久性等约束条件，再次被组合到整备车身分析模型用多目标集成方法，使结构概念集成在同一个分析模型中并进行优化和评估，使重量最小化概念设计完成：载荷路径、路径的截面尺寸以及全部板结构的零件板厚都初步确定后第三节

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*1364．结构定义和详细说明书为了确认结构概念设计，要提供一个结构详细说明书根据优化整备车身分析模型的结果，说明书要写明到达刚度和重量要求的所有载荷路径、相关尺寸和零件板厚度说明书列出四个图表载荷路径位置表：应列出在构造选择阶段所定义的结构布置，包括次要的载荷路径载荷路径截面性质表：规定所有载荷路径的截面性质〔I、J、A—弯曲惯性矩、极惯性矩和截面积〕，不必要表示截面形状接头刚度说明表：定义结构载荷路径之间所要求的接头连接刚度，由三个转动刚度表示结构板零件厚度表第三节

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*1374．结构定义和详细说明书例：截面性质表和接头刚度说明表的例如主要是周边框〔门槛〕、风窗柱、前保险杠横梁与纵梁之间接头等的说明第三节

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*138上述的详细说明文件列出了结构的属性要求如果研究的仅是车辆