（载运工具运用工程专业论文）轿车车身刚度及模态分析研究.pdf

轿车车身刚度及模态分析研究 摘要 本文以某国产轿车白车身为主要对象进行了静刚度和模态分析研究，对车 身灵敏元件的确定做了初步探讨。本文的主要内容及成果如下： ( 1 ) 在前人研究的基础上，探讨了轿车车身开发流程及相关有限元分析技 术，为车身设汁工作者提供了车身相关开发流程和设计理念； ( 2 ) 结合国内外研究成果和相关经验，对轿车白车身静刚度和模态有限元分 析模型建立中模型规模的控制、单元质量的控制和焊点的处理情况进行了探讨， 为相关有限元分析模型的建立提供了参考依据； ( 3 ) 通过分析车身结构的力学特性，建立了轿车车身结构有限元计算模型： ( 4 ) 根据白车身实际载荷情况进行了扭转刚度、弯曲刚度的分析，并同相关 车型的扭转刚度和弯曲刚度指标进行了比较分析，为后续静刚度的优化提供了 依据； ( 5 ) 根据该车动态性能要求，对白车身进行了模态分析，并总结了相关的评 价指标和评价方法； ( 6 ) 对该轿车白车身进行了扭转刚度、弯曲刚度和模态试验，提出了试验的 相关操作流程、注意事项、数据的处理方法和评价标准；试验的结果为有限元 分析提供实践依据并验证了有限元模型的精确性，试验和数据的处理的方法为 白车身刚度和模态试验提供了相关参考： ( 7 ) 灵敏度分析和灵敏元件的确定为车静、动态刚度的优化提供了参考； 本文的创新之处是轿车白车身灵敏度分析。灵敏度分析是优化设计的重要 一环，可成倍的提高优化效率。这一过程通常可以算出结构响应值对于设计变 量的导数，以确定设计变化过程中对结构响应最敏感的部分，从而可以获得最 关心的灵敏度系数和最佳的设计参数，突破了传统的白车身优化设计理论的局 限，解决了轿车模型复杂以及计算量大的问题。总之，本文研究轿车白车身的 静刚度和模态有限元分析是轿车车身结构设计的一个重要的发展，因此具有重 要的理论意义和使用价值! 关键词：轿车白车身有限元分析刚度分析模态分析 a n s y s灵敏度 r i g i d i t ya n dm o d a la n a l y s i sa n ds t u d yo nc a rb o d y a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h er e s e a r c ho fr i g i d i t ya n dm o d a la n a l y s i so ft h e w h i t eb o d yo fad o m e s t i cc a r ，a n dh a sp r o b e di n t ot h ed e t e r m i n a t i o no nt h e s e n s i t i v ec o m p o n e n t so ft h eb o d y t h em a i nc o n t e n ta n da c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e r a r el i s ta sf o l l o w ： ( 1 ) b a s i so nr e a d y m a d er e s e a r c h e s ，t h ep r o c e d u r ea n dr e l e v a n tt e c h n o l o g yo f t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa b o u tt h ec a rb o d yh a v eb e e nr e s e a r c h e d ，i ti so f f e r e d w i t ht h ep r o c e d u r eo fd e v e l o p i n ga n dd e s i g nt h e o r yo na u t o m o b i l eb o d yf o rt h e w o r k e r sw i t hd e s i g n i n g ( 2 ) c o m b i n i n gt h er e s e a r c h i n g r e s u l t sa n dr e l e v a n t e x p e r i e n c ef r o m b o t h d o m e s t i ca n da b r o a d ，t h em o d e ls c a l e c o n t r o l i n g ，u n i tq u a l i t yc o n t r o l i n ga n d t r e a t m e n to fw e l dp o i n t si nt h es e t t i n gu po ft h er i g i d i t ya n dm o d a lm o d e l sa r e d i s c u s s e d ，a n dh a v eo f f e r e dt h er e f e r e n c ef o rt h es e t t i n gu po ft h ea n a l y s i sm o d e lo f r e l e v a n tf e a ( 3 ) t h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo ft h ec a rh a sb e e ns e t u pt h r o u g h a n a l y s i z i n gt h em e t h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea u t o m o b i l eb o d ys t r u c t u r e ( 4 ) t h et o r s i o n a lr i g i d i t y ，b e n d i n gr i g i d i t ya n dt h em o d a lt e s t sh a v e b e e n a n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ll o a d i n gc o n d i t i o n so ft h ew h i t eb o d y c o m p a r a t i v e a n a l y s i sh a sc a r r i e do nw i t ht h ei n d e xo ft o r s i o nr i g i d i t ya n db e n d i n gr i g i d i t y ，a n d t h eb a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o no ff o l l o w - u ps t a t i cr i g i d i t yh a v eb e e no f f e r e d ( 5 ) a c c o r d i n gt oi t sd y n a m i c a lp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，t h em o d a la n a l y s i s o ft h ew h i t eb o d yh a sb e e nd o n e ，t h e nt h er e l e v a n te v a l u a t i o ni n d e x e sa n da p p r a i s a l m e t h o d sh a v eb e e ns u m m a r i z e d ( 6 ) t h et o r s i o n a lr i g i d i t y ，b e n d i n gr i g i d i t ya n dt h em o d a lt e s t so ft h ew h i t e b o d yh a v eb e e nc a r r i e do n ， a n dt h er e l e v a n to p e r a t i o np r o c e d u r ea b o u tt h et e s t s ， a t t e n t i o np r o b l e m s ，t h em e t h o do ft h ed a t at r e a t m e n ta n de v a l u a t i o nc r i t e r i o nh a v e b e e np r o p o s e d t h er e s u l t so ft h et e s t sh a v eo f f e r e dt h ep r a c t i c eb a s i sf o rt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sa n dv e r i f i e dt h ea c c u r a c yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l s ，t h et e s t s a n dt h em e t h o do fd a t at r e a t m e n th a so f f e r e dt h er e l e v a n tr e f e r e n c ef o rr i g i d i t ya n d m o d a lt e s to fw h i t eb o d y ( 7 ) s e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n dt h ed e t e r m i n a t i o no fs e n s i t i v ec o m p o n e n t so f f e r r e f e r e n c ef o rt h eo p t i m i z a t i o no fs t a t i ca n dd y n a m i c a lr i g i d i t y t h ec r e a t i v e p a r t o ft h i s p a p e r i st h e s e n s i t i v i t ya n a l y s i so ft h e w h i t e b o d y s e n s i t i v i t ya n a l y s i si sa ni m p o r t a n tp a r to fo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，i tc a nm a k e o p t i m i z a t i o nm o r ee f f i c i e n t t h i sc o u r s ec a nc o n f i r mw h i c hp a r ti sm o s ts e n s i t i v e t ot h es t r u c t u r er e s p o n s eb yc a l c u l a t i n gt h ed e r i v a t i o no ft h ed e s i g nv a r i a b l e s ( d v s ) w i t ht h es t r u c t u r er e s p o n dv a l u e ，t h u sw ec a no b t a i ns e n s i t i v i t yr e f e r e n c e sa n db e s t d v st h a tw ec o n c e r nm o s t i tb r e a k st h r o u g ht h e l i m i t a t i o no ft h et r a d i t i o n a l o p t i m i z a t i o nd e s i g nt h e o r ya b o u tt h ew h i t eb o d y , s o l v i n gt h ep r o b l e m ss u c ha s c o m p l i c a t e dm o d e la n dl a r g ec a l c u l a t i n g i naw o r d ，r e s e a r c ho ns t a t i cr i g i d i t ya n d m o d a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fa u t o m o b i l eb o d yi sa ni m p o r t a n td e v e l o p m e n tt o t h es t r u c t u r a ld e s i g no fc a r ，8 0i ti sm e a n i n g f u la n du s e f u l k e yw o r d s ：c a r , w h i t eb o d y ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，r i g i d i t ya n a l y s i s ，m o d a l a n a l y s i s ，a n s y s ，s e n s i t i v i t y 插图清单 图卜l 轿车概念设计流程图2 图1 - 2 新车身开发流程图3 图3 - 1 概念设计阶段的车身有限元分析模型1 8 图3 - 2 产品开发阶段的轿车车身有限元模型1 8 图3 - 3 网格简化处理2 l 图3 4 发动机罩某处翻边的处理情况2 1 图3 - 5 三维板壳单元示意图2 2 图3 - 6 零部件网格图2 2 图4 - 1 轴间相对扭转角示意图2 7 图4 - 2 车架弯曲刚度计算示意图2 8 图4 - 3 轿车车身开口对角线尺寸位置变化示意图2 8 图4 - 4 轿车有限元模型2 9 图4 - 5 轿车的的焊点分布图2 9 图4 - 6白车身扭转刚度计算分析载荷条件与边界条件模型2 9 图4 7白车身扭转刚度计算分析载荷条件与约束条件示意图3 0 图4 - 8 白车身扭转刚度变形图3 0 图4 - 9 扭转变形曲线测量部件及点分布3 1 图4 - 1 0 轿车白车身扭转刚度扭转角计算值结果图3 1 图4 1 1 弯曲刚度计算分析模型3 3 图4 - 1 2 弯曲工况下门槛垂直变形图3 3 图4 - 1 3 轿车白车身弯曲刚度底部变形计算结果图3 4 图5 - 1轿车白车身有限元模型。3 9 图5 - 2m o d l e l 车身骨架模态振型4 0 图5 3m o d l 2 车身骨架模态振型4 l 图5 - 4 激振频率和固有频率分布关系图4 3 图5 - 5 发动机罩有限元模型4 5 图5 - 6 发动机罩模态振型4 6 图6 - 1 模态试验主要设备和试验样车4 8 图6 - 2 扭转刚度及弯曲刚度试验的主要仪器和样车4 9 图6 3 样车与台架连接方式5 0 图6 4 车身静刚度测试原理5 0 图6 5前桥约束及加载原理图5 l 图6 6 实验中扭转工况加载5 l 图6 - 7 弯曲刚度实验约束及加载原理图5 l 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 1 l 图6 1 2 图6 1 3 图6 一1 4 图6 1 5 图6 1 6 图6 1 7 图6 1 8 图6 1 9 图6 2 0 图7 1 图7 2 图7 - 3 弯曲刚度实验中加载示意图5 1 静态刚度测点布置位置示意图5 2 静态刚度实验中白车身传感器布置图5 3 白车身弯曲变形曲线5 5 白车身相关扭转变形曲线5 7 结构动力特性测量原理5 9 车身模态测试支撑方式6 0 单点激振器及传感器布置6 l 实车网格划分6 2 白车身线框模型6 2 测点设置及布置图6 2 模态数据采集中主要指标及系统界面6 4 模型各振频率m a c 图。6 5 车身一阶扭转下主要部件的灵敏度分析曲线7 0 车身一阶弯曲下主要部件的灵敏度分析曲线7 1 整车各部件对车身刚度的贡献率7 2 表格清单 表3 一l 轿车材料性能表1 9 表3 2网格质量检查规范2 3 表3 3 焊点处理方法2 4 表4 1白车身扭转工况下洞口最大变形量推荐值2 8 表4 2各载荷工况下白车身轴间扭转角和抗扭剐度3 0 表4 3 轿车白车身扭转状况下扭转角3 1 表4 - 4 扭转工况下轿车洞口变形量统计3 2 表4 5 白车身弯曲工况下洞口最大变形量推荐值3 3 表4 6 弯曲载荷下测点变形量3 4 表4 7 弯曲工况下轿车洞口变形量统计3 4 表5 一lm o d l e l 模态列表及其振型描述。4 0 表5 2l o d l 2 模态列表及其振型描述4 1 表5 - 3同等车型模态主要评价指标比较4 4 表5 - 4 发动机罩模态列表4 5 表6 一l 最大弯曲载荷下左纵梁处理后的变形数据5 4 表6 2 最大弯曲载荷下右纵梁处理后的变形数据5 4 表6 3最大弯曲载荷下中央通道加强板处理后的变形数据5 4 表6 - 4 最大弯曲载荷下洞口变形量处理后的数据5 5 表6 5 样车弯曲最大变化量与轿车弯曲最大变形量对比5 6 表6 6 最大扭转载荷下左纵梁处理后的变形数据5 6 表6 7最大扭转载荷下右纵梁处理后的变形数据5 6 表6 8 最大扭转载荷下洞口变形量处理后的数据。5 7 表6 - 9白车身从前到后扭转角度5 7 表6 一l o 样车扭转变化量与轿车扭转最大变形量对比5 9 表6 - 1 1 实验模态参数表6 4 表6 1 2 白车身模态模拟计算频率与实验频率结果对比，6 5 表7 1 某轿车车身低阶模态特征7 0 表7 2车身第一阶扭转模态频率的灵敏度构件7 0 表7 3 车身第一阶弯曲模态频率的灵敏度构件7 1 表7 - 4 弯曲刚度影响的主要零部件及其指标7 3 表7 5 对扭转刚度影响的主要零部件及其指标7 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在沦文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 1 袅帚 签字日期：口 年年月2 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王、业去堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金魍王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名导师签名： 一铆夕 妇勺 签字同期：o 年年月心日签字日期：口7 年年月弓同 学i i 嚣誓差：譬嚣鼢儆习 作单位：；工订越j 、丰掣l 州q ”“ 通讯地址：钢瞻矛、泫鼯7 i 黑 电话：l 粥，z ；7 ；7 邮编：二和，口 弦，经 ，、，f 致谢! 本文是在我尊敬的导师一一石琴教授的悉心指导下完成的。 在近三年的研究生学习生活中，石老师严谨的治学态度、沉稳的工作方式、 厚重的凝聚力、以及渊博的知识和敏捷的思维给我留下了难忘的印象，使我受 益噩浅。她忘我的工作热情和不断进取的学习态度使我终生受用。在生活上， 石老师给了我无微不至的关怀和巨大的帮助；在研究中，石老师给予我亲身的 指导和耐心的帮助使我深受感动，在此向她表示由衷的感谢! 在三年的学习和研究中，张代胜老师和谭继锦老师给予了我热心指导和大 力帮助。在此向他表示诚挚的谢意! 感谢尹安东，温千红，徐建中等老师在研究生期间给与的指导与帮助! 。 本文的完成还得到了江淮汽车研究院陶其铭部长，陈永新博士，金元光工 程师的帮助。在此深表感谢! 感谢师兄师姐：黄志鹏，覃运梅，姜永胜，李迸，初长宝，肖悦。李华香， 李庆欢等同学在我研究生其间对我生活和学习上的帮助! 感谢我的同窗好友：戴声良，杨丽群，刘曼，胡喜良，柏海舰，耿志军，杜 成宽，潘震，刘焕广等同学在近三年的学校生活中给予我的帮助和启发! 感谢师弟师妹：王华，刘钊，邓超，卢利平，夏国林等对我学习和生活的 支持和帮助l 感谢自己的父母，感谢他们多年的辛苦劳动和全力支持，我将永远铭记在 心! 感谢所有帮助过支持过我的朋友，祝福他们幸福安康，一生平安! 作者：张雷 2 0 0 7 年3 月 第一章绪论 1 1 引言 从2 0 世纪5 0 年代开始，我国汽车工业从无到有汽车工业发展到今，不 论是品种还是规模，都极大满足了国内外汽车市场的需求，也已经成为我国国 民经济的支柱产业。目前国家的产业政策已调整为积极鼓励各企业尽快形成自 主开发能力，企业也深感为适应国内外两个市场激烈竞争的需要，必须不断更 新车型，开发自己的品牌，方能设计制造出适应顾客个性需求的各种汽车产品。 这就需要企业掌握汽车现代设计与试验方法，有效地建立自己产品的特性资料 库，迅速积累研发经验，从而提高竞争力。 轿车车身不仅组成零件繁多，而且结构复杂。以普通轿车白车身为例，它 是钢板冲压件焊接成的空间板和梁组成的壳体，由4 0 0 5 0 0 多个冲压件组成 “1 。要在一定时间内完成这么庞大的设计和分析任务，必须借助先进的数字技 术。 计算机技术的发展引发了车身设计方法的重大变革，实现了车身三维数字 数据库模型信息的共享。随着计算机技术和数值计算方法的发展，大型复杂工 程问题可以采用适当的数值计算方法并借助计算机技术求得满足工程要求的数 值解。有限元方法作为工程分析的一个重要的数值计算方法，从2 0 世纪4 0 年 代至今，经过6 0 多年的发展和完善，其理论已经相当成熟。有限元法是在当今 工程分析中获得应用最为广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受 到工程技术界的高度重视。有限元软件是使用有限元方法解决各种科学和工程 问题的关键，它使有限元方法转化为直接推动科技进步和社会发展的生产力， 使之发挥了巨大的经济和社会效益。 1 9 7 0 年，美国宇航局结构分析程序n a s t r a n 引入汽车领域，标志了以分析 验证为基础的车身结构设计革命的开始”1 。国外，尤其是西方发达国家在这方 面目前处于领先地位。随着国内人民生活水平的提高和公路交通的发展，我国 的汽车产业得到了长足的发展，国内各汽车制造商纷纷都加大了研发投资水平 和研发力度，并和科研、教育机构紧密合作，积极参加现代汽车设计理论和制 造方法的研究，并取得了显著的成果。”1 。 1 2 现代轿车车身设计方法 轿车车身设计通常分为概念设计( c o n c e p td e s i g n ) 和工程设计 ( e n g i n e e r i n gd e s i g n ) 两个阶段来进行。 i 2 i 概念设计阶段车身设计方法 概念设计是产品设计的前期工作，是指从构思产品到确定设计的技术指 标，下达产品设计任务书为止这一阶段的设计。概念设计在轿车车身设计中占 有极其重要的地位，它对未来投产的轿车的总体概念进行概括性的描述、确定 轿车的性能、外形与内饰等方面的初步设计。概念设计既要最大限度地发挥设 计师的想象力和创造力，同时又必须考虑到企业的现实。 概念设计的基本过程可以用图1 - 1 所示的流程图来表示，在概念设计过 程中要经过多次评审和确认。对1 ：1 的内、外部模型的确定要由企业的决策 层来决定，把它称之为“模型冻结”。实施中又分为“内模型冻结”和“外模 型冻结”，一般是先进行“外模型冻结”。 1 1 广 琵r 昏 概 晶 l j 概 念老 设 阁 设 评 工 计 目j 磷 割点设# = 嘲 耐 计 宙业 墨审 e & 醴， 霉奄化 设 互蕾固 l 主刈 出 结计 输 输 冻 入 条结 孛 果 翮 z 刮可行i 。啐 型 。k一鞔2 b 图卜1 轿车概念设计流程图 概念设计的主要内容如下： 明确开发目标； 产品的使用调查； 产品的造型设计及基本尺寸； 产品的目标成本； 制定产品设计任务书。 1 2 2 工程设计阶段车身设计方法 在新车型设计中，车身设计历来是重点，而且所需要周期最长。国外轿车 车身设计以三维模型为基础，在整车总布置的配合下，首先进行1 ：l 内部模型 2 和外部模型的设计和实物制造。 国内的传统做法与其相类似，稍有不同的之处是国内从小比例的模型开始， 傲的比较租糙。其次是车身实验工作( 包括强度实验、刚度实验、风洞实验、 振动噪声实验和碰撞实验等) ，国外都尽可能在制作内、外模型的同时，利用各 种模型以及利用现生产车或局部结构件等进行模拟试验。当车身内、外部模型 被批准时，这些实验工作也基本上趋于完成，因而，由此绘制的车身图样，基 本上就是定型图样，据此试制成的样车，再经过一定的实验验证，对其进行适 当的局部修改，就可以用来作为指导生产的图样。而国内则是在根据图样试制 的样车上进行试验，试验过程中发现不妥之处改动就会十分困难，这样就会拖 延定型时间，从而延长了设计周期。 随着科学技术的发展和计算机技术的突飞猛进，计算机已经应用到汽车设 计的各个领域中。传统的车身开发手段和方法很难保证高水平设计和制造质量， 而且开发周期长，严重制约了新车投放市场的进程，成为新车开发的瓶颈。为 了缩短新车车身的开发时间，现代轿车车身的开发流程已过渡到以并行为主的 新的并发方式。圈卜2 为新车开发流程图。 图卜2 新车身开发流程图 国豳 塞囱 圈 囱廖囱回囱囱 1 2 3 新的与传统的车身开发过程的区别 新的车身开发过程与传统车身开发过程的区别主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 在开发、设计的全过程中全面采用了先进的开发手段、科学的分析方法， 全面使用了c a x 技术，其中c h x 是泛指的多个方面，它包括：c a d 、c a e 、c a s 、 c a m 、c a p p 、c a t 等。主要体现在： 在概念设计阶段用c a s c a d 系统帮助设计师进行造型设计、建立数据模 型、设计出设想的虚拟产品为领导决策提供依据； 在产品详细设计阶段用c a d 系统设计出详细结构和零部件、绘制工程用 图，用c a e 系统对所设计的产品进行计算分析和模拟； 在模型、模具制作和工艺准备阶段，以数据模型和零件的详细设计作为 依据，用c a m 系统进行数控编程、生成控制加工模型和模具的制造信息，用c a p p 系统完成工艺过程设计等。 c a x 系统在车身设计中的全面应用，可大大提高产品的设计质量和水平， 改善了设计人员的劳动条件，降低了产品开发的风险。 ( 2 ) 车身开发的全过程中贯穿了并行开发工程的总体思路。 实现车身并行开发工程的重要技术依据是产品定义的共享数据模型，实现 车身并行开发工程的重要基础条件是： 通过计算机通信网络把各开发部的c a x 系统连接在一起； 建立起全新产品并行开发的管理体系，领导、组织、协调各组成部门严 格按照流程和规范来进行； 建立起共享的数据库。 采用并行为主的开发方式，可以有效地缩短新车开发的周期，新车开发的 时问可由过去的2 - 3 年降到1 0 个月甚至更少的时间徊1 。 1 3 轿车车身研究背景 汽车发展的历史已经超过1 0 0 年，人类在汽车的发展过程中不断改善其性 能、结构、造型以满足使用的需要。相对发动机和底盘总成而言，车身总成发 展较晚，但车身工程在现代汽车工业中越来越占据主要地位。车身工程是汽车 换型的关键，车身的生产能力决定着整车的生产能力，据统计，轿车车身质量 占整车质量的2 0 4 0 ，价格约占整车价格的3 0 5 0 阳】。 近年来，由于汽车节能和环保主题研究的深入以及汽车车身新材料和新工 艺的应用，汽车车身轻量化的发展趋势越来越突出，相关研究得到了各汽车商 和学者的重视。整车质量减小可以提高汽车的经济性，降低传统汽车的排放。 根据实验测定，轿车净质量减少l o o k g ，其百公里油耗随之降低0 6 l 左右“”。 同时汽车轻量化直接使汽车的动力性提高。欧美汽车工业近期的汽车轻量化目 标是开发可降低总质量3 0 的汽车。 4 除材料选择以外，车身轻量化的主要途径是结构优化设计，而车身轻量化 的主要限制条件是： ( 1 ) 要保证车体结构的必要强度指标，以保证汽车可靠性； ( 2 ) 要保证车体结构有充分的刚度，以保证其上安装的各总成工作正常及车 身密封等； ( 3 ) 要保证车体结构有合理的振动特性参数，以控制振动和噪声。 此外，汽车新材料、新结构的应用和研究，以及任何一个新汽车产品的开 发都需要对汽车车身结构进行分析，如概念设计中的预测分析，产品详细设计 工作中的结构分析，以及产品质量攻关中的结构分析等。汽车车身结构复杂， 不同的分析目的所选择的分析方法和模型也不一样。 本课题主要研究了某国产轿车白车身的静刚度( 扭转情况和弯曲情况) 和 动态特性( 振动情况) ，通过该车与国内外相关车型的静刚度值和振动主要指标 比较来判定该轿车车身的静刚度和动态特性状态。通过实验分析和理论计算的 对比进行联合建模，建立精确的有限元模型，为后续的相关优化提供理论和实 验依据。 1 4 轿车车身研究的意义 汽车这种“创造时空价值的现代化加速器”正以越来越大的影响改变着人 类的社会生活。从长远的可持续发展的角度来看，节约资源、减少环境污染成 为现代汽车设计中的两大焦点问题，轿车车身的设计和生产带动的相关科技和 经济的发展在社会发展中起到了很大的推动作用： ( 1 ) 能源问题 目前行驶在各国的几亿辆汽车，主要燃料仍然是汽油、柴油等石油产品， 年消耗石油一百多亿桶，占世界石油总消耗量的5 0 左右“。根据预测，到2 0 8 5 年前后世界石油可能枯竭。面对这种严峻前景，降低燃料消耗成为汽车界面临 的紧迫课题之一，而减轻汽车质量又是降低燃耗最有效的措施。 ( 2 ) 地球环境问题 燃耗与废气排放密切相关，汽车排放成为温室效应和空气污染重要原因的 倾向显著增强，近年来主要国家已相继制定或正在制定限制燃耗和排放的严格 法规。面对石油储量逐渐减少，终将枯竭的严峻前景和汽车排放严重破坏地球 环境的现实威胁，努力减轻汽车质量、节约燃耗、减少排放污染已成为轿车技 术进步的重要而紧迫的课题。在轿车燃耗和排放方面，我们与发达国家相比也 存在不少差距。因此，减轻轿车质量和降低燃耗的任务就更为艰巨，为使我国 轿车工业尽快赶上国际先进水平，应对国际轿车的挑战，必须高度重视这个闯 题。 ( 3 ) 涉及面及影响力 轿车车身的涉及面远远超出一般机械产品的范畴，诸如：工程力学、工业 设计、空气动力学、人机工程学、材料学、电子学等，轿车车身的发展状况直 接反映出一个国家的科技和工业水平。 在制造方面，车身的制造涉及材料的品种之多是发动机、底盘所不能比拟 的。其资金投入之巨、技术含量之高、涉及面之广、生产工艺之复杂、管理之 精细，真正体现了汽车工业是带动整个基础工业水平上台阶的重要支柱产业。 1 5 轿车车身结构分析概述 1 5 1 轿车车身结构分析的历史回顾 现代汽车结构分析是从车身和车架结构分析开始的，因为现代汽车的结构 主要是由车架和车身组成的。早期的汽车结构分析主要是对汽车结构的经验判 断和试验模拟。应用经典的力学方法迸行零部件的材料强度和刚度计算。而对 轿车车身这样的复杂的大型连续弹性体来说，人们的解决方法就显得十分有限， 很难得到有意义的分析结构。车身整体力学特性只能在制作出样车后进行一系 列的复杂试验得到。 1 9 6 6 年美国的汽车工业部门颁布了公路安全法案和国家交通与汽 车安全法案，这个法规提出了最早的汽车安全标准。1 9 7 0 年以后，随着大型 计算机的出现，标志着以分析验证为基础的汽车结构设计革命的开始“1 。而1 9 7 0 年美国宇航局结构分析软件程序n a s t r a n 的出现，代表了一种新的计算功能。 它是一个面向用户的通用的结构分析程序，使之适用于非专家的一般设计工程 师使用。有限元法逐渐在汽车结构分析问题中显示出强大的能力，并占据了极 其重要的地位。 现在，汽车结构分析的发展分工已经十分精细。应用有限元法可以十分精 确的分析汽车结构的静态和动态特性、n v h 特性、碰撞特性等。目前比较流行 的大型有限元分析软件有：a n s y s ，m s c n a s t r a n ，p a m ，a d i n a 等。目前国外的 现代汽车结构分析技术已经比较成熟，而国内的汽车结构分析技术还有较长的 路要走。现代汽车结构分析技术已经在现代汽车的设计领域中占据了重要位置， 成为汽车计算机辅助设计必不可少的重要组成部分。 1 5 2 轿车车身结构分析的现状 随着轿车车身结构设计的发展进步，对轿车车身分析的研究也就自然而然 的应运而生了。现代轿车车身的分析已经贯穿于整车设计的全过程，对现代轿 车整车设计而言，可以说，没有现代轿车车身的分析，就没有成功的现代轿车 车身的设计，也就没有成功的轿车车身的产生。现代轿车车身结构设计的特点： ( 1 ) 轻量化成为车身结构设计所普遍追求的目标 6 轻量化的研究最早是从沃尔沃汽车公司的l c p ( t h ev o l v ol i g h tc o m p o n e n t p r o j e c i ) 2 0 0 0 开始的。虽然它的出现是七十年代的两次石油危机造成的，但美 国钢铁研究所推出的u l s a b ( t h e u l t r a l i g h ts t e e l a u t ob o d y ) 和奥迪汽车公司推 出的a u d i a 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。 ( 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。 ( 4 ) 在汽车车身结构设计过程中，设计与分析并行 车身结构分析贯穿于车身结构设计的各个阶段，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 对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，现代轿车车身分析就越来越重 要。现代轿车车身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。 目前，对轿车车身进行刚度分析主要采用计算机模拟分析和f e m ( f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ) 方法，而我国由于车身开发工作起步较晚，c a e 技术及f e m 方法相对落后。八十年代中期一些研究人员就大客车车身结构计算机辅助分析， 做了许多工作1 。近一段时期以来，也有人开始对轿车的车身结构进行了类似 的分析。然而，从已发表的文章和对行业内部情况的了解发现，与国外的车身 结构设计中c a e 技术的应用状况相比，国内的车身结构c a e 分析技术仍存在 如下不足： ( 1 ) 计算机辅助分析仍主要面向试件或成品，而面向设计，特别是面向早期 7 设计的研究较少，因而不能发挥c a e 技术缩短产品开发周期的巨大潜力。 ( 2 ) 从分析的内容来看，往往只分析一项指标，并据此进行修改，而不考虑 或未能全面考虑对其它指标的影响。 ( 3 ) 从对分析结果的处理来看，对车身结构或部件的各项性能指标进行系统 分析优化的成功实例还未见到“”。 ( 4 ) 从分析类型上看，仍以车身结构静态分析为主，整车动态分析( 疲劳、 碰撞等) 还有很多的工作要做。 1 6 本文主要内容 本文分析的轿车是某汽车公司独立设计开发的中高级轿车，通过u g 图取出 零部件的中面。在相关的软件中按照一定的标准划分网格。然后，把合格的有 限元模型导入到a n s y s 中进行相关分析，本文介绍的相关知识和分析的主要内容 如下： ( 1 ) 总结阐述了有限元发展的过程及相关有限元软件。 ( 2 ) 对建模过中有限元模型的相关标准做了一定阐述。 ( 3 ) 对自车身的刚度( 弯曲刚度和扭转刚度) 进行了模拟分析并与同等车型 的刚度值进行比较，通过比较分析我们对该车刚度进行了相关评价并提出了修 改方案。 ( 4 ) 对白车身模态进行了模拟分析并与同等车型的主要模态指标值进行比 较，通过比较分析我们对该车动态进行了相关评价。 ( 5 ) 对该轿车白车身做了模态修改及灵敏度计算分析和白车身剐度影响指 数分析，通过计算分析确定了静刚度和动刚度较灵敏的零部件。这为以后提高 整车或局部刚度和某一阶模态频率都有很高参考价值。 ( 6 ) 对白车身进行了弯曲刚度、扭转刚度、模态试验，通过理论和试验结果 对比分析后，对模型做了进一步修改和完善，为下一步优化设计工作提供了理 论和实验依据。 ( 7 ) 提出了本文不足和有待迸一步研究分析的地方，为下一阶段工作的开展 指明了方向。 8 第二章结构有限元理论及有限元软件介绍 2 1 引言“3 “” 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简单的 闯题代替复杂闯题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连 子域组成，对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个 域总的满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解， 而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以 得到准确解，而有限元计算精度高且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效 的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念 早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形( 有限个直线单元) 逼 近圆来求得圆的周长，但作为种方法而被提出是c l o u g h 在1 9 6 0 年发表的论 文中首先将其命名有“限元法”的，经过近4 0 年多的努力，不仅理论臻趋完善， 而且应用得到迅速发展。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的 结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学 家的浓厚兴趣。经过短短几十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及， 有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成 为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限 于相对小的子域中。2 0 世纪6 0 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克 拉夫( c l o u g h ) 教授形象地将其描绘为：“有限元法= r a y l e i g hr i t z 法+ 分片 函数”，即有限元法是r a y l e i g hr i t z 法的一种局部化情况。不同于求解( 往 往是困难的) 满足整个定义域边界条件的允许函数的r a y l e i g hr i t z 法，有限 元法将函数定义在简单几何形状( 如二维问题中的三角形或任意四边形) 的单 元域上( 分片函数) ，且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于 其他近似方法的原因之一。 2 2 有限元方法基本理论 2 2 1 线弹性体静力学问题 线弹性体的静力分析问题是整个结构有限元分析的基础。它主要由以下步骤完成： ( 1 ) 结构的离散化 结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限元方法的基础。这一步是 把要分析的结构划分成有限个单元体，并在单元制定位