（车辆工程专业论文）yd01型轿车车身结构分析研究.pdf

摘要 摘要 轿车车身是轿车的最关键总成之一。车身的性能是整个轿车产品性能 非常重要的组成部分，轿车车身的性能主要取决于结构的静态、动态特性。 对轿车车身进行刚度、强度特性的分析，可以指导人们对车身结构进行优 化和更进一步的响应分析。 本文利用有限元计算与分析的方法，以y d 0 1 型轿车为例，从轿车车 身壳体静态特性分析和结构改进方面做了如下研究： 全部采用三节点或四节点空间壳单元离散整个车身壳体，建立了有限 元分析的模型。论述了建模时对各零件的简化原则即怎样处理零件的局部 细化结构、单元类型的选取、模型规模控制、模型质量控制和有限元模型 中焊点的模拟等问题；并论述了如何模拟扭转工况和弯曲工况下的边界条 件和载荷条件。对轿车的刚度分析有一定的参考价值。 对有限元模型，主要计算了车身壳体的静态刚度、强度特性；研究了 扭转工况和弯曲工况下车身的变形、各主要开口处的变形；研究了各主要 零部件板厚度对扭转刚度和弯曲刚度的影响，找出对车身扭转刚度和弯曲 刚度影响比较敏感的零部件；研究了车身在扭转工况和弯曲工况下的应力 分布；探讨了轿车车身刚度提高的方法，对车身局部刚度不合理的薄弱环 节提出了改进方案。为车身结构改进提供了理论依据。 关键词轿车车身：有限元模型；刚度分析；强度分析；结构改进 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t c a r b o d y i so n eo ft h ec r u c i a la s s e m b l i e si nac a l c a rb o d y p e r f o r m a n c ei s a v e r yi m p o r t a n tp a r to f w h o l e c a r sg e n e r a lp e r f o r m a n c e c a r b o d yp e r f o r m a n c e i sd e t e r m i n e db ys t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fi t ss t r u c t u r e t h ea n a l y s i s o fc a rb o d ys t i f f n e s sc h a r a c t e r i s t i c si sag u i d a n c ef o ro p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r e a n dm o r er e s p o n s i v ea n a l y s i so f c a rb o d y u s i n gf e m ，a n dw i t ht h ec a ry d 0 1 韶a l le x a m p l e ，t h i sp a p e rd o e st h e f o l l o w i n g s t u d i e so ns t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ： f e mm o d e lo f t h eb o d ys h e l lc a l lb et o t a le s t a b l i s h e db y u s i n g3o r4 n o d e s s p a c i a l s h e l l e l e m e n t s 眦p a p e rd e s c r i b e s h o wt od e a lw i t hl o c a ld e t a i l s t r u c t u r e ，s e l e c t i o no f e l e m e n tt y p ea n ds i m u l a t i o no fw e l d e ds p o t s t h i sp a p e r a l s od i s c u s s e sh o wt os i m u l a t et h e1 0 a da n db o u n d a r yi nt o r s i o n a la n db e n d i n g l o a d i n gc o n d i t i o n s i tc a n b ear e f e r e n c et os t i f f n e s sa n a l y s i so f c a rb o d y f o rt h ef e mm o d e l , b yc a l c u l a t i n gs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o d ys h e l l ， a tf i r s tt h i sp a p e rs t u d i e st o r s i o n a la n db e n d i n gc o n d i t i o n so fc a rb o d ya n d d e f o r m a t i o n so fm a i nh a t c h e si nt o r s i o n a la n db e n d 啦l o a d i n gc o n d i t i o n s ，t h e n s t u d i e st h et h i c k n e s s e so fm a i nc o m p o n e n t sa n dt h eb o d ys t i f f n e s si n f l u e n c eo n t o r s i o m ls t i f f n e s sa n db e n d i n gs t i f f n e s s s o m ec o m p o n e n t sw h i c h a r es e n s i t i r e t ot o r s i o n a ls t i f f n e s sa n dh e n d 吣s t i f f n e s so f t h eb o d ys h e l lh a v eb e e nd e t e c t e d i nt h ee n d ，t h i sp a p e rs t u d i e so nt h eb o d ys t r e s sa n dt h es t i f f n e s si m p r o v e m e n t m e t h o da n dp u t sf o r w a r ds u g g e s t i o n st oi m p r o v es o m ew e a kc o m p o n e n t s t h c s e s t u d i e s p r o v i d e t h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e i m p r o v e m e n t o fb o d y s t r u c t u r e k e y w o r d s c a r b o d y ；f e mm o d e l ；s t i f f n e s sa n a l y s i s ；s t r e n g t h a n a l y s i s ； i m p r o v e m e n to f b o d y s t r u c t u r e i i 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 在发达国家，汽车的普及己经达到很高的程度，平均每个家庭拥有各 种汽车2 3 辆。汽车正日益成为现代生活不可缺少的一种工具。然而，中国 的汽车人均拥有量远低于发达国家水平，正是由于中国巨大的市场和汽车 工业对国民经济的巨大推动作用，汽车工业己被国家确定为国民经济的支 柱产业，是国家扶持和重点发展的产业之一。中国汽车工业经过5 0 多年的 风雨历程，已形成一个比较完整的工业体系，但与国际汽车工业的先进水 平相比，尚有很大的差距。改革开放以来，国内汽车工业通过合资引进国 际先进技术，虽己缩短了与国外的差距，但必须在消化吸收国外先进技术 的基础上，形成自己的开发能力。 现代科学技术的迅猛发展，尤其是电子信息技术的高速发展，工业生 产方式正发生着巨大的变革，新的生产方式不断产生。汽车工业作为综合 性的大型产业，也必须顺应这个发展趋势。c a d c a e 在汽车工业中越来越 广泛的应用，正是这种趋势的表现。1 9 9 0 年美国国家工程科学院将计算机 辅助设计技术评为当代十项最杰出的工程技术成就之一。工业发达国家的 新车开发周期，在采用c a d c a e 技术以后，己由原来的5 年缩短为2 4 - 3 6 个月【1 d 当今的c a d c a e 技术己经成为衡量一个国家汽车工业技术水平的重 要标志之一，也是衡量一个汽车制造公司技术水平的重要标志。它己成为 一个汽车公司开发新产品、组织规模生产、加强市场竞争的重要手段。在 缩短产品开发周期，提高产品性能、质量和可靠性，降低产品成本等方面， 起到决定性作用。 1 2 轿车车身结构分析的历史回顾 轿车车身结构分析的发展是与轿车的诞生和发展紧密相连的。现代轿 燕山大学工学硕士学位论文 车绝大多数都采用承载式车身结构，车身的结构直接影响轿车的结构特性， 因此，轿车车身的结构分析尤为重要。轿车车身结构必须有足够的强度以 保证其疲劳寿命，足够的静刚度来保证其装配和使用要求，同时应有合理 的动态特性达到控制振动与噪声等的目的，应用有限元方法进行轿车车身 结构分析能有效地解决轿车车身结构设计的要求。 通常所说的c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r h l g ) 计算机辅助工程，就 是指有限元分析方法与工程结合。有限元法用于汽车设计与分析，是从近 二、三十年才开始的。 车身一车架结构分析是现代汽车结构分析的重要组成部分，因为车身 和车架是现代汽车结构的主要承载系统。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进行零部件的材料强 度刚度计算。而对轿车车身这样的复杂的大型连续弹性体来说，经典的解 决方法就显得无能为力，不可能得到有意义的理论分析结果。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 2 j 。 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【3 】。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。1 9 7 4 年，应用有限元方法进行汽车结 构的静、动态分析在国外已有所报导。早在1 9 7 7 年，通用汽车公司就实现 了先用有限元进行碰撞模拟，及静、动态分析，然后用实验证明的方法1 4 j 。 现在，汽车结构分析的发展己经分工十分精细。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 ( n o i s e v i b r a t i o n h a r s h n e s s ) 特性，碰撞特性等。 1 3 轿车车身结构分析的研究现状 随着轿车车身结构设计的发展进步，对轿车车身的刚度分析的研究也 2 第1 章绪论 就自然而然的应运而生了。现代轿车车身的刚度分析己经贯穿于车身结构 设计的全过程，对轿车车身的结构设计起到了很重要的指导作用。对现代 轿车车身结构设计而言，可以说，没有现代轿车车身的刚度分析，就没有 成功的现代轿车车身结构设计，也就没有成功的轿车产生。 1 3 1 国外研究现状 国外对轿车车身刚度分析已经比较成熟，国外近几年的文章对轿车白 车身及其组成部件对整车的刚度的贡献做了分析，其中车身壳体的贡献达 到6 0 以上1 5 】，详见图1 - l 。 急定杆 其它 3 5 背门3 架横臂- 3 i 推力杆4 5 前风窗 6 前门 8 板通道8 身壳体- ， 整车 1 0 0 02 04 06 08 01 0 0 对弯曲刚度的贡就 向稳定杆 - 3 5 其它 5 背门1 1 2 前悬架横臂 一2 2 前后推力杆3 前风窗- 1 5 前门_ 7 地板通道_7 车身壳体 一， 整车1 0 0 02 04 06 08 01 0 0 对扭转刚度的贡献 图1 1轿车白车身及其各部件对整车刚度的贡献 f i g 1 - 1 t h ec o n t r i b u t i o no f e a c h p a r t t ob o d ys t i f f n e s s 3 燕山大学工学硕士学位论文 国外在应用c a e 研究方面有如下特点。 ( 1 ) 应用范围广c a e 软硬件的发展使其应用领域逐步扩大【6 1 ，如图1 - 2 所示。主要包括如下几个方面： 结构分析：结构分析主要有静态刚度分析m ，静应力与疲劳寿命分析， 耐久性分析【8 ，】，塑性变形分析，热传导，热应力分析，及部分结构分析如 接头分析【1 1 2 1 。 ； 在评价试矗中的应用 i 适 实际车辆与模拟解妒结果的试行错误么车车厢各部位噪音解析 用 强度刚性振动振动冲l 冲撞解析( 部分) 冲i 冲撞解析( 全部) 范 围 ( 通用计算机的引进)( 高i 速计算机的引进)( 超大计叠机的引进) 1 9 7 0 1 9 8 01 9 9 0 图1 - 2c a e 的发展历史 f i g 1 2 t h ed e v e l o p m e n to f c a e 零部件及整车的n v h 分析：随着近年来对行驶平顺性和噪音控制的越 发强调，n v h 分析越来越受到重视，甚至有时候被作为设计的最高追求目 标1 3 l 。 机构运动分析：如操纵稳定性、舒适性等。 碰撞分析：汽车安全性一直就倍受关注，但在c a e 产生之前，只能通 过实验来研究，c a e 的发展使通过计算机分析来模拟碰撞成为可能。目前， 碰撞分析不仅包括正面碰撞，侧面和后面碰撞，还包括乘员和行人的动作 模拟。 流体分析：包括气动力特性，发动机内的进排气和燃烧等。 最优化分析：包括结构最优化，特性最优化等1 4 】。 4 燕山大学工学硕士学位论文 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，从己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 d 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口”。 1 4 本课题的研究目的和内容 1 4 1 车身刚度强度分析的重要性 汽车在使用过程中要承受扭转、弯曲和碰撞等多种载荷的作用。现代 轿车大多是全承载式车身，在这些载荷作用下，车身的刚度特性反映 载荷与变形关系的特性，强度是指发生碰撞时，车身不易损坏的程度， 都具有非常重要的作用。如果车身刚度不足，在使用过程中可能造成车厢 密封不严以至漏风、渗雨以及伤及内饰等现象发生；在碰撞时也可能会引 起车身的门框、窗框、发动机罩口和行李箱开口等处的变形过大，从而导 致车门卡死、玻璃破碎等不符合汽车安全性法规的现象发生。另外，如果 车身刚度设计不合理，最终会直接或间接地影响汽车的动力响应、n v h 性能 等，对汽车行驶的平顺性和操纵稳定性产生不利的影响，从而影响了汽车 的主动安全性。 而汽车零部件的强度大小将直接影响汽车的有效使用寿命，零件的局 部应力集中将导致零件的局部开裂甚至断裂。因此研究车身结构的刚度和 强度显得十分重要。 1 4 2 本文的主要内容及意义 以有限元方法为主体的车身结构分析己成为一种面向车身结构设计全 6 第1 章绪论 ( 2 ) 模型细化程度高如丰田汽车公司在1 9 9 0 年用2 00 0 0 个有限元网 格的c a e 模型来模拟正面碰撞，1 9 9 5 年达到了1 0 00 0 0 个。目前，国外对 整个白车身的静态分析有限元网格也达到3 - 5 万州”】。不仅是网格多，而 且对结构细部的研究也相当深入，如对车身覆盖件拉延时圆角处的钢板变 形的研究。 ( 3 ) 自动化程度高国外各大汽车公司充分利用现有的c a e 软件，并结 合各自的c a d 系统进行开发，达到了高度自动化，使得过去需要用人力很 长时间建立的有限元网格很快就能自动生成，大大提高了工作效率。 ( 4 ) 贯穿于汽车设计的全过程如通用汽车公司在开发“1 9 9 7c h e v r o l e t c o r v e t t e ”车型时，在c a e 研究各阶段分别应用不同细化程度的c a e 模型。 以上是国外c a e 发展的现状，可见c a e 在国外已经发展的相当成熟。 1 _ 3 2 国内研究现状 目前，对轿车车身进行网度分析主要采用计算机模拟分析f e m ( f i n i t e e l e m e n tm 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f e m 方法相对落后。国内的汽车结构设计，主要依赖于经验方法，c a e 应用得 较少，而且主要是应用在大客车及货车上【1 6 q9 1 ，对它们进行粗略的静态强 度、刚度分析。如在8 0 年代末，长春汽车研究所用有限元法研究了我国城 市客运大客车的车身结构强度【2 们。采用了二力杆、空间梁、空间可变断面 薄壁粱、剪切板、空间膜等单元组合的有限元模型。研究用的抽象模型约 取1 5 0 - 2 0 0 个节点，每节点有6 个自由度，当研究约束扭转时附加另外1 个翘曲自由度。产品计算分析采用4 0 0 6 0 0 个节点的模型。在同一时期， 东北工学院对超重型汽车车架静应力了有限元分析【2 ”。采用空间刚架结构 的梁单元，将车架离散为1 0 1 个梁单元，1 8 种规格断面，1 6 个壳单元，1 3 个弹性支撑点。 c a e 在轿车上也有所应用。同济大学对s a n t a n a 2 0 0 0 白车身的扭转 刚度进行了研究【2 2 1 ，利用三节点或四节点的空间板壳单元将整个白车身离 散为50 5 2 个单元，44 4 2 个节点；吉林大学对红旗c a 7 2 2 0 白车身的静态 刚度进行了研究【2 3 1 ，将整个白车身离散为2 47 1 0 个节点，3 09 9 6 个单元。 5 第1 章绪论 过程的必不可少的分析，车身结构设计的过程也成为一种设计与分析并行 的过程。而轿车车身刚度分析正是轿车车身结构分析的重要组成部分。现 代车身结构分析不仅赋予了现代车身结构设计新的特点，促进了现代车身 结构设计新趋势的形成，而且己成为车身结构设计中最有意义的内容。 本文针对车身刚度、强度分析的重要性，对我国某公司下一代产品 y d 0 1 型轿车车身壳体结构进行分析，计算y d 0 1 型车身结构的静刚度，包 括静态弯曲刚度、静态扭转剐度和弯曲与扭转工况下车身的开口变形；以 及车身结构的静强度；并研究了主要零部件板厚对扭转刚度和弯曲刚度的 影响，提出了提高刚度的一些建议。由于车身部件结构比较复杂，各部件 之间的连接情况也很繁琐，所以进行有限元模型的建立是本文的难点。本 人在各位老师的精心指导下，采取各种手段圆满地完成了建模工作。最后 所建立的有限元模型全部采用三或四节点的板壳单元，共有2 85 7 1 个节点， 2 73 5 7 个单元。 在车身静态结构分析方面，本文的意义如下： 首先，本课题的计算采用了较为现代化的专用程序。如：采用c a t i a v 5 版本的软件对车身壳体结构的描述；采用h y p e r m e s h 软件对结构进行前处 理，较真实地模拟了车身各个零件的主要形状、翻边和点焊连接等，使力 学模型逼近实际的结构，以提高其可信度；采用m s c n a s t r a n 程序进行 求解运算。 其次，通过建立有限元模型到结构分析的整个过程，对轿车车身壳体 的有限元建模技巧和规律做一些探索性的研究。 最后，计算结果揭示了本车结构的薄弱环节，并建议添加加强的构件 以改善其受力状况，从而得到更加合理的车身结构。 7 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章有限元法在车身结构设计中的应用 2 1 有限元法的发展及特点 2 1 1 有限元法的发展 在汽车c a d c a e 技术中，有限元分析方法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o m 和软 件技术占据了一个极其重要的位置。对于汽车这样复杂的结构，进行动力 学性能的研究及优化设计，有限元方法被证明是一种最为成功，应用最广 泛的分析方法。工程实际中对复杂结构的分析，常常很难得到解析解。有 两种方法可以克服这个困难：一种方法是对复杂的问题作出种种简化，提 出许多假设，回避一些难点，最终简化为一个能够用传统计算方法解决的 问题。但由于有太多的假设和简化，所得出的结果的准确度和可信度很差： 另一种方法是尽可能保留问题的各种实际情况，尝试寻求近似的数值解， 放弃封闭形式的解析解，因为近似数值解也可以满足工程实际需要。后一 种方法的计算工作量十分庞大，用传统计算方法不可能实现，但是在计算 机和计算技术迅速发展的今天，后者成为比较现实和有效的选择【2 5 1 。 有限单元法是近三四十年随计算机的发展而发展起来的用于各种结构 分析的数值计算方法。它运用离散概念，把弹性连续体划分为一个由若干 个有限单元组成的集合体，通过寻找与原连续体场问题的等价的泛函变 分形式，得到一组代数方程组，最后求解得数值解。有限单元法的基本思 想离散化概念早在4 0 年代就己经提出来，由于当时计算条件的限制， 没有引起重视。十年以后，英国航空工程教授阿吉里斯( a r g y r i s ) 和他的同事 运用网格思想成功地进行了结构分析。与此同时，美国克劳夫( r w c l o u g h ) 教授运用三角形单元对飞机结构进行了计算，并在1 9 6 0 年首次提出了“有 限单元法”这个名称。在以后十年中有限元法在国际上得到蓬勃发展。6 0 年代中后期，国外数学家开始介入对有限元法的研究，使有限元的发展有 了坚实的数学基础。19 6 5 年，津基威茨( 0 c z i e n k i e w i c z ) 和同事y k c e t m g 宣布，有限元法适用于所有能按变分形式进行计算的场问题，有限元法的 8 第2 章有限元法在车身结构设计中的应用 应用被推广到了更广阔的范围【2 6 】。 有限元法最先应用到航空工程领域，后来迅速推广到机械与汽车、造 船、建筑等各种工程技术领域，并从固体力学领域拓展到流体、电磁场、 振动等各学科。 有限元法最早是为解决结构计算而提出的，并成功地应用于工程实践 中。随着研究的深入，有限元法已不仅仅作为一种解决力学问题的分析计 算方法，而且也成为一种数学上解微分方程的数值计算方法。近3 0 多年来， 它的应用范围已从杆、梁类结构分析扩展到了对弹性力学平面问题、空间 问题以及板壳问题分析，由分析静态问题扩展到分析动态问题、波动问题 和稳定问题，分析对象也从弹性介质材料扩展到粘弹性、塑性等复合材料。 由此可见，有限元法已获得了前所未有的巨大发展。 在工程技术领域，有限元可对几何形状不规则、载荷和支撑情况复杂 的各种结构及零部件进行变形计算和应力分析，这是经典力学所不能及的。 由于有限元这一无可比拟的优越性，有限元法在飞机、船舶、汽车和拖拉 机等机械产品的设计中都得到了广泛的应用。在这些工程实践中，有限元 法的应用可分为三大类： ( 1 ) 静态分析也就是求解不随时间变化的系统平衡问题。如线弹性系 统的应力分析，也可应用在静电学、静磁学、稳态热传导和多孔介质中的 流体流动等的分析。 ( 2 ) 模态分析和稳定性分析它是平衡问题的推广，可以确定一些系统 的特征值或临界值，如结构稳定性分析及线弹系统的固有特性的分析等【2 7 l 。 ( 3 1 瞬时动态分析求解一些随时间变化的传播问题。如弹性连续体的 瞬时动态分析( 动力响应) 和流体力学等。 有限元分析离不开计算程序。计算程序一般分为三类：大型通用程序、 专用程序和自编程序。所谓通用程序，它的特点就是“通用性”。单元库 内一般常用单元齐全，如杆单元、梁单元、膜单元、板单元、轴对称单元、 实体单元、边界元等。功能库内分析模块众多，有静力分析、固有特性分 析、动态响应分析等，应用范围广泛，可涉及连续体分析、流体分析、热 传导分析、电磁场分析，以及线性与非线性分析、弹塑性分析、复合材料 9 燕山大学工学硕士学位论文 分析等，并且一般都有较方便的前后处理功能。 不同的通用程序都有各自的特点，表2 1 介绍了常见通用程序的应用情 况。 表2 1 常见通用程序的应用情况 t a b l e 2 - 1t h e a p p l i c a t i o nc i r c u m s t a n c eo f t h eg e n e r a lp r o g r a m 程謦名称 程序八 a d 州aa n s y sm a r cn a s t r a nh y p e r w o r k ss a p 非线性结构分析 断裂力学分析 热应力和蠕变 厚板厚壳 管道系统分析 船舶结构 焊接接头分析 粘弹性材料分析 结构优化分析 热传导分析 薄扳薄壳 复合材料 结构稳定性 流体力学分析 + 表示司以进行此功能分析，一表不不可以进行此功自分析。 2 1 - 2 有限元法的特点 有限元方法最基本的出发点是将分析对象的结构或实体划分为有限元 个微小单元体，这些微元体称为“单元”，两相邻单元间只通过节点相连 接。将作用在结构体上的外载荷按静力等效原则分解为等效节点载荷向量， 以这些单元体的集合替代原来的连接结构实体，这一过程称为连续体的离 散化【2 引。 l o 第2 章有限元法在车身结构设计中的应用 2 2 有限元法的分析过程 有限元方法【2 9 l 就是根据现实对象的实际结构利用c a d 软件建立三维实 体几何模型，将三维实体模型离散化，并将结构体所受实际载荷分别作用 到各单元体上，最后求出各单元体节点力和位移。 有限元分析的具体步骤是： ( 1 ) 离散化，即划分单元和网格。 ( 2 ) 施加载荷，描述约束。 ( 3 ) 计算各个单元的刚度矩阵，建立单元平衡方程。 ( 4 ) 求解结构整体刚度矩阵，建立结构整体平衡方程。 ( 5 ) 求解线性代数方程组，得出各节点位移，由节点位移求各单元节点 力。 ( 6 ) 显示处理计算结果。 2 3 有限元法在车身结构设计中的应用 在汽车设计工程中，几乎所有的强度设计，都可以用有限元方法做计 算，以评价其强度指标【3 0 】。目前世界上技术先进的汽车厂家已把有限元计 算工作列为设计常规，取得了很大的技术经济效益。 汽车车身在整个汽车结构中，不论就重量而言还是就成本而言，都占 整车的相当大比重。同时它的制造用工和模具成本都很高，改型比较困难。 因此，用有限元方法在设计初期对车身结构及其零部件进行计算，评估它 的强度寿命，对产品开发、试制的意义更大。因此，车身结构有限元方法 格外受到国内外汽车厂家的重视。 就车身构造而言，虽然车身构造千差万别，但是，从力学结构的角度 加以分类，大体上可以分为骨架式结构( 如骨架式大型客车车身) 、板壳式 与骨架混合式结构( 如某些箱式车车身、驾驶室) 和板壳式结构( 如承载式小 客车车身) 。 对于这些不同类别的车身结构，计算中往往以相应的力学构件模拟， 进行计算。一般的车身结构设计系统的组成如图2 - i 所示j 。 燕山大学工学硕士学位论文 图2 - 1车身结构设计系统组成图 f i g 2 - 1 t h ec h i l l io f b o d ys t r u c t u r ed e s i g n 由图2 - 1 可看出有限元分析在车身结构设计中的重要性，所以将c a e 技术应用到汽车设计的许多方面，并取得了很好的效果。c a e 软件能够显 著提高产品设计的科学性，减少盲目性，提高设计效率，其最大优点是可 以在产品设计初期，即图纸阶段，通过建立基本的计算机分析模型，对所 设计的产品进行强度、寿命及性能预测，使产品设计指标得到保证，有效 地提高设计产品的可靠性，缩短设计周期1 3 2 l 。c a e 软件系统应用于汽车业 主要有以下功能： ( 1 ) 汽车动力性、经济性及参数灵敏度计算在设计和改进汽车时，需 要进行性能预测、评价、多方案优选等，这些都必须进行动力性和经济性 计算。通过计算机编程，进行模拟计算，只要输入相应的结构参数就能很 快打印出各项性能指标及影响动力性和经济性的各参数灵敏度排序f 3 引。 ( 2 ) 汽车车架、车身构件截面特性计算通过对车架进行刚度和强度计 算及实验验证，在采用有限元软件包对开口薄壁杆件构件构成的车架进行 计算时，对于扭转工况，在前处理中用考虑翘曲约束影响的当量惯性矩代 替扭转惯性矩，编制了常用开口截面的计算程序，只要输入相应的断面编 1 2 第2 章有限元法在车身结构设计中的应用 号和结构参数，便可建立材料特性库【3 4 l 。 ( 3 ) 有限元静力分析、模态分析根据需要，系统采用有限元软件包对 结构进行模拟分析，为产品的可靠性提供依据。该软件包不仅有丰富的单 元库，而且还有强大的计算能力，快捷方便的前后处理功能。 ( 4 ) 汽车车架参数的优化设计目前国产汽车的车架，大多数为槽型截 面、矩形截面和钢管。只要输入自变量个数，目标函数个数，不等式约束 函数个数，等式约束函数个数，自变量下界，自变量上界，便可得到优化 后的结构参数【”】。 f 5 ) 客车外摆式乘客门机构参数的优化在给定外摆式车门的门宽、门 缝间隙、车门厚度、残留未开口量等参数后，通过运行优化程序，便可得 到满足车门开启、终止位置与预定设计位置误差最小的机构参数p “。 ( 6 ) 汽车动力传动系参数的最优匹配当汽车的整车参数及发动机等总 成确定后，汽车性能优化程序能迅速找到一组变速器各档速比及后桥主减 速比的最佳匹配值，从而取得较好的动力性和燃油经济性。 我国汽车行业有限元计算工作起步于1 9 7 5 年，到1 9 7 8 、1 9 7 9 年，科 研单位和各汽车高等院校即推出了一批有价值的有限元软件。并在汽车车 架、车身中应用，取得了技术经济效益。从1 9 8 0 年开始，随着我国对外开 放政策实施，我国计算机条件改善和装机数量大幅度增加，国外流行的大 型商业软件引进我国汽车行业，汽车车身有限元计算技术有了很大进步， 汽车车身强度研究，车身结构关键技术有了很大的进步，有限元方法解决 了一批车身强度技术难题，促进了车身水平的提高。 2 4 轿车车身结构设计的特点 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。轻量化的研究最早是 从沃尔沃汽车公司的l c p ( t h e v o l v ol i g h tc o m p o n e n tp r o j e c t ) 2 0 0 0 开始的。 虽然它的出现是七十年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 eu l t r al i g h ts t e e la u t ob o d y ) 和奥迪汽车公司推出的a u d ia 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 燕山大学工学硕士学位论文 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。8 0 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，己成为各汽车制造商提高自身竞争力的一项重要举措。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 1 在汽车车身结构设计过程中，设计与分析并行。车身结构分析参与 车身结构设计的各个阶段，贯穿整个设计过程，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。 ( 5 ) 优化的思想在设计的各个阶段被引入。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，现代轿车车身结构分析就 越来越重要。现代轿车车身结构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。 2 5 轿车车身结构分析对整车性能的影响 在现代轿车的设计开发过程中，轿车车身大多数采用全承载式结构， 这样的结构可以很大程度上满足结构设计的轻量化，满足轿车的操纵稳定 性和制造工艺性等多方面因素的要求。轿车车身结构静态分析是其动态分 1 4 第2 章有限元法在车身结构设计中的应用 析的基础，因而，轿车车身结构的主要静态工况分析一直为国内外汽车界 所重视。 现代轿车的车身结构，要求车身能够承担使用过程中的各种载荷。如 果刚度不足，会引起车身的门框、窗框、发动机舱口和行李箱开口等处变 形过大，导致车门卡死、玻璃破碎、密封不严以至渗雨、漏雨以及内饰脱 落等。而且，由于车身刚度小，还会造成车身振动频率低，易发生结构共 振，并削弱结构接头的连接强度，最终直接或间接地影响汽车的行驶平顺 性、舒适性、操纵性等各种性能。此外，还会影响安装在车身上的总成的 相对位置。轿车车身的刚度特性反应了车身在整体上抵抗扭转和弯曲载荷 的能力，反应了轿车车身的整体性能。因此，现代轿车的设计都是在汽车 质量尽量小的前提下，最大限度地提高汽车的刚度1 3 们。而车身的结构强度， 将直接影响车身各部件的有效使用寿命，可见，通过对轿车车身结构的研 究，来改进结构的设计，提高刚度是十分重要的。 2 5 1 轿车车身刚度对轿车车身结构功能可靠性的影响 轿车车身刚度直接影响轿车车身的承载功能。轿车车身整体刚度低， 将使轿车车身的整体承载能力降低。轿车车身的局部刚度低，将使车身局 部变形增加，车身的局部安装等功能丧失。轿车车身刚度低，直接影响轿 车的疲劳强度，使轿车的可靠性降低，局部的失效和整体的失效都将大大 降低轿车的整体使用性能，使轿车的整体性能指标降低。 车身开口变形受车身刚度的影响最大。车身上的开口主要有车门、车 窗、发动机舱和行李舱等。车身开口部分的变形大，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，车身开口部分的变形在各种工况下 都不能超过限值。车身刚度值及其分配应能保证车身各开口在各种工况下 的变形不超过限值，一般是要求车身的刚度值应尽可能的大，并且要分配 合理。 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。由于当受到不 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 平路面激励时，弯曲载荷引起的车身应力幅值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。 除了整车的扭转刚度值以外，对车身的结构可靠性来说，车身扭转刚 度的分配也是一项重要的指标。为了防止局部疲劳问题，应避免车身扭转 刚度沿车身纵向的分配出现不合理的剧烈变化。 2 5 2 轿车车身刚度对轿车车身结构安全性的影响 轿车车身刚度直接影响轿车车身的结构安全性。轿车车身整体刚度不 合理，使轿车车身的碰撞安全性降低，轿车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： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 在碰撞中，通过牺牲驾驶室外的结构来减小传至乘员的减速度、力。 f 3 ) 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) 。 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性能量，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【3 ”。 总之，保证较高的轿车车身的整体刚度，有助于改善轿车的结构安全 性能使轿车车身结构安全性能指标得到提高。 2 5 3 轿车车身刚度对轿车n v h 性能的影响 轿车的n v h 性能，现代是很热门的研究方向。它包括噪声( n o i s c ) ，振 动( b r a t i o n ) 和行驶平j l 顷性( h a r s h n e s s ) o ”j 。 轿车噪声包括车内噪声和车外噪声。车辆噪声与车身结构关系密切， 它是影响汽车舒适性、语言清晰度、听觉损害程度、行车安全性以及人在 车内对车外各种音响讯号识别能力等的重要因素。 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 1 6 第2 蕈有限兀法在车身结构设计中的应用 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，轿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。 轿车在行驶过程中，要保证乘员所处的振动环境具有一定的舒适度， 保证能够避开水平方向1 2h z ，垂直方向扯8h z 的人体对振动最敏感的频 率范围，使乘员能够得到舒适的乘车环境1 4 0 】。 车身是一个弹性系统，在外界的时变激励作用下将产生振动。当外界 激振频率与系统固有频率接近时，将产生共振。共振不仅使乘员感到很不 舒适，带来噪声和部件的疲劳损坏，还会破坏车身表面的保护层和车身的 密封性，从而削弱抗腐蚀性能。 车身是一个多自由度的弹性系统，因此，它也有无限多的固有振型， 但其低阶振型为整车振型，如扭转、弯曲，高阶振型为一些局部共振振型， 如地板振型、车顶振型和侧围外板振型等。有时，由于车身的局部刚度低， 也有一些局部振型在低频范围内出现，或与整车振型同时出现。合理的轿 车车身刚度可以很好的解决车身振动问题。 作用在车身上的激励来自于悬挂系统、路面、发动机、传动系等的振 动，这些振动对车身的激励可以认为是全频率的，但是，路面和悬挂系统 对车身结构激励的特点一样，每种激励在所有频率范围内并不是等能量分 布的，所以，试图在所有频率上消除作用在车身上的激励，与车身结构的 某些振型的共振是不可能。因此，我们只有将注意力集中在各激励的能量 集中的频率上，使之与我们所关心的车身的某阶振型不发生共振。 轿车平顺性所研究的内容是经座椅传到人体的引起的全身振动，这种 振动来源主要有三个方面：一个是车身结构在悬架上的振动，二个是车身 结构的整车弹性振动，最后一个是人在座椅上的振动，这些振动的特点是 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 低频性。就车身结构而言，提高汽车的行驶平顺性就是减小整车的弹性振 动。 因此，轿车车身刚度直接影响轿车的舒适性。轿车车身的刚度是保证 轿车行驶舒适性能的重要指标，合理的车身刚度可以使轿车的舒适性能得 到很好保证。 2 5 4 轿车车身刚度对轿车燃油经济性的影响 轿车的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1 4 “。 现代轿车绝大多数采用的是承载式车身，承载式车身几乎承载了轿车使用 过程中的所有各种载荷。如果轿车车身的刚度不合理，使轿车的经济行驶 使用环境难以保证，结果将是轿车的燃油经济性降低。另外还有结构上的 因素，较好的轿车车身刚度可以保证较轻的车身的重量，减小轿车的风阻 系数，自然就很好的保证了轿车的燃油经济性能。轿车车身刚度的合理分 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k g 油的消耗。因此轿车车身的刚度是保证轿车燃油经济性能的重要指标，较 好的车身刚度可以使轿车的燃油经济性能得到很好保证。 承载式轿车车身几乎承载了轿车使用过程中的所有各种载荷，是轿车 的最熏要的三大组成部分之一，轿车车身刚度对轿车整体的性能指标有着 全面直接的影响，轿车车身的合理的刚度值将使轿车的整体性能指标得到 全面的提高。因此，轿车车身的刚度问题应得到充分的重视，目前国外对 轿车车身刚度的研究己经很重视，轿车车身刚度的研究己是车身开发的最 重要指标之一，国内对轿车车身刚度的研究还没有得到足够充分的重视， 但目前的趋势是重视程度越来越高，轿车车身的刚度研究有着很好的前景。 2 6 本章小结 本章介绍了有限元法的发展和特点。有限元法是随着计算机的发展而 发展起来的，用于解决工程实际问题的数值解法。它将难以求解的复杂连 续体离散成有限的单元，应用计算机求得满足工程要求的数值解， 并且随 着单元网格的细分使计算精度不断提高。各种通用有限元分析程序的出现 和发展，使有限元法在工程上的应用更加广泛和深入。通用有限元程序具 1 8 第2 章有限元法在车身结构设计中的应用 有强大的功能，如何更有效地应用这些