汽车试验技术 课件 项目3 结构刚度强度基本理论

项目三结构刚度强度基本理论

刚度是反映结构变形与力的大小关系的参数，即结构受多大力产生多少变形的量，简单说，就是一根弹簧，拉力除以伸长量就是弹簧的刚度。它是指构件或者零件在外力作用下，抵御弹性变形或者位移的能力，即弹性变形或者唯一不应该超过工程允许的范围。3.3.1结构刚度基本理论车身结构的扭转刚度可以通过前悬架变形情况进行评价，即：k=M/a=(F∙l)/(l/s)（3.1）式中：M为施加的力矩，N∙m；F是作用于车身的恒力，N；s是由于力产生的形变，m；l是左右前减振器中心点之间的距离，m；a为旋转角度，rad。3.3.1结构刚度基本理论计算车身扭转刚度时，假定轿车车身是一个具有均匀扭转刚度的杆体，轿车车身前、后轴间平均扭转刚度的计算公式为：GJ=TL/θ（3.2）式中：GJ是车身扭转刚度（单位：N﹒m/deg）；T是车身上加载扭力（单位为N）；L是车身轴距（单位：m）；θ为车身轴间相对扭转角度（单位：deg）。轴间相对扭转角示意图，如图3.10所示。式中：θ为扭转角，单位为度；U1为左侧纵梁测点的挠度，单位为mm；U2为右侧纵梁测点的挠度，单位为mm；D为左、右纵梁中心线的距离，单位为mm。图3.10轴间相对扭转角示意图3.3.1结构刚度基本理论车身结构的弯曲刚度可以通过前门槛变形情况进行评价，即：K=F/z(3.3)式中：F——最大载荷（集中力加载），N；z——门槛梁的垂直方向最大变形（最大弯曲挠度），m；K——车身的刚度，N/m。计算假定车体具有相同的张力，而车体作为一个整体是一个具有均匀弯曲刚度的简单支撑梁，在中心点中央加载，如图3.11所示，从而得到前后轴线的弯曲刚度。运用力学公式计算了梁的弯曲刚度，同时根据荷载和最大弯曲挠度算出车体的弯曲刚度见式3.4。EI=Fax(L2-x2-a2)/6LZ(3.4)

式中：EI为轿车车身弯曲刚度，单位为N/m2；

F为集中载荷力，单位为N；

L为前后悬挂固定座支撑点纵向距离，单位为m；

b、a分别是前后支撑点与载荷的距离，单位为m；

z为垂直方向弯曲挠度，单位为m；x为计算z值点到前支撑点与集中载荷的距离，单位为m。3.3.1结构刚度基本理论感谢聆听项目三结构刚度强度基本理论强度的定义

构件或者零部件在外力作用下，抵御破坏（断裂）或者显著变形的能力。强度是反映材料发生断裂等破坏时的参数，强度一般有抗拉强度、抗压强度等，就是当应力达到多少时材料发生破坏的量，强度单位一般是兆帕（MPa）。3.3.2结构强度基本理论结构静强度评价车身的主要失效形式是局部发生断裂或塑性变形。对于由塑性材料组成的车身，因在外力作用下，车身处于三向复杂应力状态，所以按第四强度理论计算车身应力，其强度条件为：

3.3.2结构强度基本理论某车身各部件使用材料的屈服极限见图3.13图3.13某车身各部件使用材料的屈服极限3.3.2结构强度基本理论结构疲劳强度评价

固体结构件在循环力或交变力作用下工作时，尽管这种应力远小于材料的屈服点，但经一定循环次数后发生突然断裂，且无明显的塑性变形断的现象，称为疲劳或疲劳破坏。这是由于固体内部微观组织中位错的存在，在外部交变载荷作用下，裂纹萌生、裂纹扩展直至固体发生破坏。图3.14勺子折叠断裂过程3.3.2结构强度基本理论离合器轴在旋转的交变载荷作用下工作一定长时间后发生疲劳断裂（见图3.15）图3.15离合器轴疲劳断裂3.3.2结构强度基本理论车辆在行驶一定历程后，副车架在长期的路面振动下发生焊缝脱落（见图3.16）图3.16副车架焊缝脱落3.3.2结构强度基本理论感谢聆听项目三结构刚度强度基本理论车身刚度设计的意义车身刚度对车身结构功能可靠性的影响

车身刚度直接影响车身的承载功能。车身整体刚度低，将使车身的整体承载能力降低。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。车身刚度低，还直接影响的疲劳强度，使可靠性降低，局部的失效和整体的失效都将大大降低整体使用性能，使整体性能指标降低。3.3.3汽车刚度强度试验的意义

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。车身洞口变形试验见图3.1。图3.1车身洞口刚度试验3.3.3

汽车刚度强度试验的意义

连续的车身振动会造成车身结构逐渐减弱并导致耐久性的问题。为了避免耐久性问题，车身必须有足够的静态弯曲和扭转刚度。图3.2和图3.3分别为车身弯曲刚度试验和扭转刚度试验现象。图3.2车身弯曲刚度试验现场图3.3车身扭转刚度试验现场3.3.3

汽车刚度强度试验的意义

由于当受到不平路面激励时，弯曲载荷引起的车身应力幅比扭转载荷引起的小，所以，车身的扭转刚度对耐久性问题更重要。例如，SUV越野承受的不平路面激励较大（见图3.4），因此要求SUV车身和底盘具有更高刚度来提高耐久可靠性（见图3.5）。图3.5SUV应具有高刚度车身和扎实的底盘图3.4SUV承受的不平路面激励3.3.3

汽车刚度强度试验的意义车身刚度对车身结构安全性的影响

车身刚度直接影响车身的结构安全性。车身整体刚度不合理，使车身的碰撞安全性降低，车身的刚度分配应该遵循一定的规则。

在轿车车身结构设计中，轿车车身结构安全性对车身刚度的要求：(a)在碰撞中，轿车结构以可控制的方式变形，吸收冲击动能，而使乘坐空间不被侵入。(b)在碰撞中，通过牺牲驾驶室以外的结构来减小传至乘员的减速度和力。(c)在碰撞中，内部吸能装置，如转向柱和仪表板，在乘员的冲击下变形，以减轻二次碰撞(未受约束的乘员对汽车内部的碰撞)。

3.3.3

汽车刚度强度试验的意义

一般来说，发动机舱是正碰的吸能区，因此，刚度应按照碰撞的要求使其变形最大限度地吸收碰撞的变形能量，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。如图3.6所示，可通过合理设计车身不同区域的结构刚度来分散碰撞时的能量，从而改善安全性能。图3.6车身正面撞击冲力分散示意图3.3.3

汽车刚度强度试验的意义车身刚度对NVH性能的影响

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，由于机械的撞击、摩擦以及交变载荷的作用，车室内装备的运动部件，以及车身结构的连接件都会产生振动和车内噪声。由于车身振动而向车内辐射的声波，在遇到障碍物反射回来时，若恰好与原来的声波同相，则这部分声波被增强，且作为一种激励加剧结构的振动，这种二次激励诱发结构的振动本身就是一个噪声源，称为车厢(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噪声。3.3.3

汽车刚度强度试验的意义

因此，车身刚度直接影响轿车的舒适性。车身的刚度是保证轿车行驶舒适性能的重要指标，合理的车身刚度可以使的舒适性能得到很好保证。例如，车身顶盖横梁就是为了提高顶盖的刚度，从而降低车内噪声（见图3.7）。图3.7车身顶盖横梁结构示意图3.3.3

汽车刚度强度试验的意义车身刚度对燃油经济性的影响

燃油经济性的影响因素主要有使用和结构两个方面的因素。

如果车身的刚度不合理，使车辆经济行驶使用环境难以保证，结果将使燃油经济性降低。另外还有结构上的因素，车身刚度的合理分布，也将有助于车身整体的轻量化的要求，更轻的车身当然有助于减少燃油的消耗。3.3.3

汽车刚度强度试验的意义车身强度设计的意义

车身强度是汽车车身在外力或内应力的作用下抵抗车身局部变形或疲劳失效的能力，即衡量零件本身承载能力的重要指标，不仅与结构的材料强度有关，而且与结构的几何形状、外力的作用形式等有关，它是机械零件的基本要求。

根据承受外力的作用形式，它可分为静态强度、冲击强度和疲劳强度。

驾驶过程中，车辆必须能够承受各种载荷，不能出现塑性变形，以及裂纹现象。如果车身强度不足，会造成车身零件塑性变形、局部和整体断裂损坏，使汽车寿命变短以及安全系数变差，因此车身都必须进行校核，从而以满足强度要求。3.3.3

汽车刚度强度试