（车辆工程专业论文）轿车车身结构振动特性研究与设计优化.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 现代社会中，汽车已成为非常重要的交通运输工具，与人们的衣食住行息息 相关。2 0 0 9 年中国乘用车的销量达到了一千多万辆，增速高达5 9 ，为中国汽 车工业树立了新的里程碑。得益于政府出台的各项财政鼓励政策，去年中国总体 汽车市场销量达到1 3 5 0 多万辆，达到世界第一，以4 4 的高速增长创纪录的领 跑全球汽车产业。 作为现代社会必不可少的交通工具，汽车工业得到了长足的发展，一个国家 的汽车制造业的水平，在很大程度上也反映了其科技发展水平。尽管2 0 0 9 年中 国汽车产销量一举跃居世界第一，但我们更应该看到国内汽车在汽车c a d c a e 技术上与国外的巨大差距。车身是汽车的三大总成之一，它不仅要有漂亮的造型 和外观、足够的空间、流畅的外形曲线，更重要的是要有优越的性能。目前，在 3 d 数模设计阶段运用有限元方法对轿车车身的各种性能进行准确地预测，是汽 车技术的一项重要热点研究内容。在设计阶段对车身结构的模态、强度和刚度等 进行准确的分析，并把问题解决在数模阶段，这样大大缩短汽车的研发时间，降 低了成本。 本论文中简要系统的阐述了汽车c a e 技术的发展和应用，车身结构固有特 性的基本概念，有限元方法的基本理论及在车身结构中的应用，模态分析和优化 设计的理论。从而为整篇论文提供理论基础。结合在研究生期间参与开发的一款 0 8 l 两门微型轿车，对白车身结构及各分总成的结构和功能做了详细的介绍。 利用该微型轿车车身结构的3 d 数模，先将结构简化，包括如何合理的处理 结构翻边，孔和加强筋等局部结构。将简化后的模型导入a n s y s 软件中，建立 了该车车身结构的有限元模型，选择合适的单元类型和网格大小对模型进行网格 的划分。 为获得车身结构的固有振动特性，对其进行模态分析。分析所得到的数据， 找出问题所在，为优化设计阶段做准备。在结构优化时，取对一阶弯、扭灵敏度 较为灵敏的某些钣金件的板厚为设计变量，对模型进行以白车身轻量化为目标和 以提高低阶模态频率为目的的优化分析。为该车车身结构提出改进方案，最终目 的是花费最少的成本和最短的时间设计出最合理的车身结构。 关键词：车身结构：振动特征；模态分析；设计优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nm o d e r ns o c i e t yv e h i c l eh a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n tt r a n s p o r t ，a n di sc l o s e l y r e l a t e dt op e o p l e sb a s i cn e c e s s i t i e s c h i n a sp a s s e n g e rc a rs a l e si n2 0 0 9r e a c h e dm o r e t h a n1 , 0 0 0u n i t s ，u pt o5 9 g r o w t hr a t ef o rc h i n a sa u t oi n d u s t r ys e t t i n gan e w m i l e s t o n e b e n e f i t e df r o mt h eg o v e r n m e n th a v i n gi n t r o d u c e dv a r i o u sf i s c a li n c e n t i v e s ， t h eo v e r a l la u t o m o t i v em a r k e ti nc h i n al a s ty e a rs o l dm o r et h a n1 , 35 0u n i t s ，u pi nt h e w o r l d ，w i t h4 4 r e c o r dh i g hg r o w t hl e a d e ri nt h eg l o b a la u t o m o t i v ei n d u s t r y a sa ne s s e n t i a lm e a n so ft r a n s p o r tt os o c i e t y , t h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yh a sb e e n d e v e l o p i n gs i g n i f i c a n t l y t o al a r g ee x t e n t ，ac o u n t r y sa u t o m o b i l ei n d u s t r yl e v e l r e f l e c t st h el e v e lo fi t st e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t a l t h o u g hc h i n a sa u t o m o b i l e p r o d u c t i o na n ds a l e si n2 0 0 9r a n k e df i r s ti nt h ew o r l di no n ef e l ls w o o p ，b u tw e s h o u l dk n o wt h eh u g eg a pi nt h ea u t o m o t i v ec a d c a et e c h n o l o g yb e t w e e nt h e d o m e s t i cc a ra n df o r e i g nc o u n t r i e s c a rb o d yi so n eo ft h et h r e ea s s e m b l yo ft h ec a r , w h i c hn o to n l yh a sb e a u t i f u lf o r ma n da p p e a r a n c e ，e n o u g hs p a c ea n ds m o o t hs h a p e c u r v e ，b u ta l s os u p e r i o rp e r f o r m a n c ei sm o r ei m p o r t a n t c u r r e n t l y , u s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o dt oa c c u r a t e l yp r e d i c tt h ev a r i o u sp e r f o r m a n c e so fc a rb o d yd u r i n gt h e 3 dd i g i t a l - a n a l o gd e s i g ni sa ni m p o r t a n th o ta u t o m o t i v et e c h n o l o g yr e s e a r c hc o n t e n t d u r i n gt h ed e s i g ns t a g em o d a lb o d ys t r u c t u r e ，a c c u r a t ya n a l y s eo fs t r e n g t ha n d r i g i d i t y , e t c ，a n ds o l v et h ep r o b l e mi nt h ed i g i t a l - a n a l o gs t a g e ，t h e r e b yg r e a t l yr e d u c e v e h i c l ed e v e l o p m e n tt i m ea n dt h ec o s t t h i sp a p e rb r i e f l yd e s c r i b e dt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fv e h i c l ec a e t e c h n o l o g yi ns y s t e m ，t h eb a s i cc o n c e p t so f t h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o d y s t r u c t u r e ，b a s i ct h e o r yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o da n da p p l i c a t i o ni nt h eb o d ys t r u c t u r e ， m o d a la n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g nt h e o r y a n dt h e s ep r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i s f o rt h ee n t i r ep a p e r c o m b i n a t i o no fg r a d u a t es t u d e n t st a k ep a r ti nt h ed e v e l o p m e n to f ao 8 lt w om i c r oc a r , w h i t eb o d ys t r u c t u r ea n dt h es u b - a s s e m b l yo ft h es t r u c t u r ea n d f u n c t i o no fad e t a i l e di n t r o d u c t i o n u s eo ft h e3dd i g i t a l a n a l o go fm i n ic a rb o d ys t r u c t u r e ，f i r s t l ys i m p l i f yt h e s t r u c t u r e ，i n c l u d i n gh o wt od e a lw i t har e a s o n a b l es t r u c t u r ei n c l u d i n gf l a n g e ，h o l e s a n ds t r e n g t h e nt h et e n d o n sa n do t h e rl o c a ls t r u c t u r e t h e ns e n dt h es i m p l i f i e dm o d e l i n t oa n s y ss o f t w a r e ，e s t a b l i s ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ev e h i c l eb o d ys t r u c t u r e ， s e l e c tt h ea p p r o p r i a t eu n i tt y p ea n ds i z eo ft h em o d e l 面dm e s h i n g i no r d e rt oo b t a i nt h en a t u r a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i e so fb o d ys t r u c t u r e ，d oi t s i i m o d a la 1 1 a l y s l s u s et h ed a t aa n df i n dt h e p r o b l e m st op r o v i d ep r q p a r a t i o nt oo p 如也e t n ed e s l g ns t a g e i ns 仃u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，t a k et h et 1 1 i c l ( i l e s s o fs o m eo ft h em o r c s e n s l t i v ep l e c e so fs h e e tm e t a lo ft h ef i r s to r d e r b e n d i n g ，t w i s t i n gs e l l s i t i v i t ya sd e s i g n v a r i a b l e s ，t oi m p r o v et h el o w f r e q u e n c ym o d e sa n dt or e d u c et h ew e i 蛳o ft h ew h i t e b o d ya st h eg o a l so ro p t i m i z i n ga n a l y s i s t h eu l t i m a t eg o a li st o s p e n dt h el e a s tc o s t a n ds h o r t e s tt i m et od e s 蜘m e m o s tr e a s o n a b i eb o d ys t m c t u r e k e y w o r d s ：b o d ys t r u c t u r e ；v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ；m o d a l a n a l y s i s ；d e s i 印 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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 武汉理工大学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论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：；铷7 搬、导师( 签名) ： 日，期 。， 眨盖筠慈一c 乡 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 现代社会中，汽车已成为非常重要的交通运输工具，与人们的衣食住行息息 相关。2 0 0 9 年中国乘用车的销量达到了一千多万辆，增速高达5 9 ，为中国汽 车工业树立了新的里程碑。得益于政府出台的各项财政鼓励政策，去年中国总体 汽车市场销量达到1 3 5 0 多万辆，达到世界第一，以4 4 的高速增长创纪录的领 跑全球汽车产业【1 1 。中国汽车工业的快速发展，不仅仅是汽车数量简单的上升， 更是快速的增加了工业总产值并提高了g d p ，促进国民经济快速高效的发展。 汽车工业的发展对国民经济的促进作用具有不言而喻的重要性。 过去的一百多年，人们不断地改进汽车的造型、结构、性能，以满足使用和 美观要求。相对于发动机总成和底盘总成而言，车身总成的发展起步较晚，但车 身工程在现代汽车工业中已占据越来越重要的地位。国内外汽车企业的生产实践 一再表明：整车的生产能力由车身的生产能力所决定，汽车成功的更新换代在很 大程度上也由车身的改型所决定，在市场上基本车型达到饱和的情况下，只能依 赖车身改型或改装才能打丌销路。 随着科技的发展和人们生活水平的提高，广大消费者的消费观念日趋理性， 对汽车的偏好和要求也逐步发生变化和提高，汽车甚至被当做高档的艺术收藏 品。人们要求汽车除了要满足动力性、安全性等基本要求时，还对汽车操纵的稳 定性、行驶的舒适性、车内的噪声水平及音质等提出了越来越高的要求。这就要 求设计师们要更加注重汽车的n v h 特性，n v h 是n o i s e ( 噪声) ，v i b r a t i o n ( 振动) 和h a r s h n e s s ( 声振粗糙度) 的简称。即在车室振动、噪声的作用下，乘员舒适性主 观感受的变化特性【2 1 。由结构振动引起的车内噪声给人的感觉是一种“轰鸣声”， 严重影响了乘坐人员的舒适性，设计师在设计的过程中应该尽量避免和控制，这 也是影响人们评价汽车质量及购车选择的重要因素之一。车内噪声的有效控制日 益显示出其重要性。 当前，世界汽车市场的竞争日益激烈，使得汽车产品的开发周期由原来的长 达几年缩短到十几个月，这对于我们在设计阶段能准确的对汽车各种性能进行预 测提出了很大挑战。利用现代c a d c a e 技术对汽车新产品进行丌发，是现代汽 车企业开发新产品的重要手段之一，它能够在新产品的设计开发阶段准确的预测 和评估汽车的各种性能，为产品的成功开发提供了一定的保障。有限元法是计算 机辅助工程( c a e ) 系统中的一个重要组成部分。利用有限元方法可以在汽车的三 武汉理工大学硕士学位论文 维设计阶段对车身结构的刚度、强度、疲劳寿命和动态特性等进行准确的分析和 预测，并进行优化，指导设计师们对产品进行优化设计。 1 2 国内外研究现状 1 2 。1 汽车c a e 技术的发展和应用 2 0 世纪7 0 年代首次应用n a s t r a n 软件是c a e 技术和汽车设计相结合的开 始。工程技术人员对车身结构的有限元分析不断深入，随着计算机技术的发展和 分析手段的提高，我们能够分析含有悬架、发动机、轮胎等部件的车身模型，能 对车身的n v h 性能进行分析，模型的规模和分析精度大大提高。有限元法发展 到今天，已较为完善，它被公认为是工程分析中最强有力而又最通用的计算方法， 其应用范围很广，并且由于实践性强而具有强大的生命力。利用有限元法进行车 身结构分析，实质上也是一种“计算机的数值实验”，它不仅使过去无法进行的运 算获得数值解，而且逐渐代替一些成本高、时间长的常规试验。有限元分析方法 在汽车中有着广泛的应用范围，它不仅可以用来分析已经成型的汽车产品，也可 以应用于产品丌发过程中汽车的性能、结构分析，为汽车设计开发提供依据和指 导。 随着计算机软硬件技术的飞速发展及计算方法的创新，出现了以大型计算机 和计算中心为基础的有限元软件，其商业化和通用化使得软件更加完善。建模方 法增多，模型规模变大，分析对象更加广泛在汽车设计中，应用有限元方法对 汽车进行静态和动态特性分析，已成为最普遍的方法。在欧美和日本等汽车工业 发达的国家，广泛应用c a e 技术于汽车设计的各个阶段，对软件进行二次开发， 丰富软件功能，这样，体现了c a e 技术在指导设计、提高产品质量并降低成本， 缩短开发周期上的显著作用。目前流行的运作方式是每个车型的开发配套一个结 构分析小组，跟踪车型开发的各个阶段，直到该车的成功上市。 在现代声学研究中，大量的应用计算机和数值计算方法是重要趋势，随着有 限元、边界元等数值方法的不断进步，为解决复杂振动问题提供了重要的依据。 有限元方法很早就应用到声辐射问题的分析计算当中。比较成功的是美国的 s u n g 和n e s f o k e ，他们对车身内部的结构噪声进行了有限元分析，并首次考虑并 分析了车身结构和声场的耦合作用。另外一个代表人物是l n a g l e y ，他采用边界 元方法预测了车身结构内部振动声辐射。噪声分析预测的方法得到长足的发展， 各种分析软件层出不穷，这些都为以后分析汽车噪声打下了坚实的基础。 2 武汉理工大学硕士学位论文 需要解决的工程实际问题的提出，性质确定 上 、， 土 确定有限元分析软 有限元模型建立，确有限元模型建立，确 件，掌握软件功能和定载荷、约束、边界 定载荷、约束、边界 使用方法条件和初始条件 条件和初始条件 1r 前处理儿何建模，网格划分、 有限元分析属性、数据输入、 生成有限元分析数据 r 有限元分析与结果生成 1r 后处理操作与结果显示， 整理有限元分析结果 图1 一l 有限元分析流程图 基于完善的前后处理功能及有限元计算能力，a n s y s 有限元分析软件受到 国内外众多用户的青睐。用比利时l m s 公司开发的声学模块进行声场仿真研究， 能够在设计阶段减少辐射噪声，优化新车型的声振特性。该模块通常用于应用于 产品的声学预测和仿真问题。比如汽车发动机及其部件对于整车的噪音控制，进 排气系统传递至车身的声学问题等。结合有限元与边界元理论，该模块不仅能够 对振动响应进行计算分析，还可以从测得的模态数据和给定的激励计算速度响 应，利用这些数据计算结构表面的声压和结构周围的场分析，从而使得软件的适 用的范围更为广泛。 国内在该领域的研究才刚刚起步。国内最早于1 9 7 7 年由长春汽车研究所的 谷安涛、常国振在汽车工程上发表了“汽车车架设计计算的有限元方法”，他 们用有限元分析的基本理论与方法析方法对城市客运大客车结构强度分析进行 了大量的研究。吉林大学汽车系利用有限元方法分析了载重汽车驾驶室在路面激 励和发动机激励下产生的噪声，并分析了设置吸声材料与未设置l ； 比较的减声效 果。该研究中的路面和发动机激励都是实车测试得到的。同济大学靳晓雄教授则 根据轿车设计图纸和其它设计参数对路面激励悬架系统、发动机激励、发动机激 3 武汉理工大学硕士学位论文 振系直至车身结构和车身内腔声振特性建模方法和预测分析方法作了系统研究， 同时该校机械设计及理论专业的白胜勇博士在该研究的基础上对悬架系统等影 响车内噪声的因素作了进一步研究，并且建立了整车耦合模型用于车内噪声预测 分析和优化设计，以控制车内噪声。重庆大学的汪斌等对某微型货车驾驶室进行 了结构一声场耦合分析与降噪处理，该研究也取得了很好的降噪效果，能显著提 高货车驾驶室的舒适性。经过多年的学习和发展，国内对有限元分析方法处理振 动噪声的应用也取得了长足的进步，与国外的差距一步步缩小。 1 2 2 汽车车身结构分析的发展概况 车身结构的重要性不言而喻，我们在设计开发中，般运用有两种方法：一 是在原车型基础上对局部结构或外形改进，结构特点主要沿用原车型。开发程序 可简化，投资少，是各汽车制造公司为适应市场变化及时推出新产品的有效手段， 如神龙汽车公司根据三厢3 0 7 轿车设计出两厢3 0 7 轿车。二是全新结构设计。在 充分调研市场后，确定所要开发的车型，按照新车型的开发流程，建立车身结构 简化模型，再进行结构的仿真分析，优化车身结构，确定车身结构的特性参数。 如图1 2 所示为现代车身设计流程。 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，我们知 道，全承载式车身能够有效降低车身总质量，但承载式车身几乎承受了整车的几 乎所有的载荷，包括扭转和弯曲载荷。所以，保证车身的刚度特性至关重要。车 身刚度不合理，将直接影响轿车车身的结构可靠性、安全性、n v h 性能等关键 性指标。上个世纪，我国汽车车身结构分析偏重强度指标，、而国外则将汽车车 身刚度、低阶模态参数也作为产品定型的关键指标。一般刚度准则可充分满足强 度准则，但反之不一定。车身结构低阶弹性模态即是控制车身常规振动的关键指 标，也是反映轿车车身的整体刚度性能。轻质车身是提高动力性、节约材料、减 少油耗、降低成本的关键，所以轻量化也是汽车工程的重要目标之一。 现代轿车车身结构分析方法包括有限元分析和实验分析方法。有限元分析方 法是依据车身c a d 模型建立车身结构有限元模型，然后计算和分析车身结构的 静态、动态等特性指标，甚至进行优化设计分析和试验仿真分析。现代数值模拟 方法可以在车身结构开发之初就预测和优化车身结构的静态和动态特性，从而在 产品生产之前尽可能避免相关设计缺陷，提高产品成功率，缩短产品开发周期， 降低成本。有限元分析方法的精度取决于模型、工况和分析方法。现代实验方法 主要是电测法，通过传感器和各种仪器，对车身零部件或车身模型进行支承、加 载和测试。该方法虽然没有有限元分析方法得到的结果充分，但它直观可信，可 以作为有限元分析模型验证的手段。 4 武汉理- 丁大学硕士学位论文 图1 2 现代车身设计流程图 经历了汽车c a e 技术的入门和推广阶段，国内汽车设计者越来越重视在设 计过程中应用c a e 技术，并取得了积极的成果。c a e 技术的应用对提高我国汽 车企业的自主研发能力具有重大意义。但是与国外的车身结构分析相比还存在着 差距，主要是： ( 1 ) 车身结构开发工作很多是简单的模仿市场上成功的车型，逆向工程就能 完成一款车型的开发，有限元分析应用较少，跟别提设计与分析的同步工程了， 当很多分析过程留在后期的试验方法解决时，就会增加改动成本和时间，不利于 提高产品的竞争力； ( 2 ) 而在应用有限元分析软件分析车身结构时，仅仅局限在结构的强度和刚 度等几个方面，在更广泛的振动噪声、碰撞等方面的研究还不成熟，有待于我们 更加深入的研究。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 汽车车内噪声研究与控制 汽车的车内噪声是指汽车在各种工况下车室内部的各种噪声。车内噪声是由 发动机辐射噪声、冷却风扇噪声、进排气噪声、轮胎噪声、底盘噪声、风噪声等 噪声源通过车身传递到入车内的；同时发动机自身振动、排管振动、路面悬架的 激励等振动源通过传动轴、排气管传递到车身，使车身产生振动从而形成辐射噪 声，这两类噪声叠加在一起，形成了车内噪声。车内噪声不仅与发动机振动噪声 等相关，还与车身结构密切相关，车内噪声严重影响了乘坐舒适性、语言清晰度、 听觉损害程度，还干扰人在车内对车外各种音响讯号接受识别能力【2 】。试验表明， 我们平常的谈话声约为6 0 d b ( a ) ；当外界噪声达到以上6 5 d b ( a ) 时，谈话的声音 需要提高才能实现交流；而噪声超过9 0 d b ( a ) ，即便大声叫喊也很难听清，经常 处于这种环境下将会对人的听力产生不可恢复的损掣4 1 。从2 0 世纪6 0 年代开始， 国外就非常重视车内噪声的控制，并制定了相关法规。如美国环保局曾提出，从 1 9 8 5 年1 月1 日起公共汽车内部噪声不得超过8 0 分贝【5 】。在现代汽车设计中， 噪声控制已成为不可或缺的一部分。试验研究表明，对于密封性较好的车室，噪 声源通过车身传入的噪声对车内噪声影响较小，车内噪声主要是车身结构振动辐 射噪声。随着计算机软硬件技术的发展，汽车设计过程中的降噪方法已由传统的 人为试验方法转为由计算机完成模拟和分析，从而极大程度的缩短设计周期。 图1 3 车内噪声的主要来源和传播途径图 我国最开始于1 9 7 9 年颁布了g b l 4 9 5 7 9 机动车辆允许噪声以及相应的 g b l 4 9 6 - - 7 9 机动车辆噪声测量方法，此后很长时间未作修改，相比国外，车 外加速噪声限值的变化相对较缓慢，执行也不严格。随着汽车工业的发展及人们 6 武汉理工大学硕士学位论文 对环保的日益重视，g b l 4 9 5 的噪声限值显得格外落后，而且g b l 4 9 6 的测量方法 也存在不少得问题，如测量仪器和试验条件要求低，并要求车辆加速通过后半测 试区域内发动机必须达到额定转速，这与欧洲e c e r 5 2 标准都不同，与美国机动 车工程师学会( s a e ) 的测试方法也有出入。2 0 0 2 年我国颁布了g b l 4 9 5 - - 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法，该标准分两个阶段实施，第一阶段 为2 0 0 2 年1 0 月1 日至i 2 0 0 4 年1 2 月3 1 日，此阶段生产的新车要达到欧洲标准e c e r s l 0 0 中的限值要求，第二阶段针对2 0 0 5 年1 月1 日以后生产的汽车，此阶段生产的 新车要达到欧洲标准e c e r s l - - 0 1 中的限值要求【6 】。由此可以缩小我国在噪声控制 水平上与国外的差距。从噪声测试方法来看，国标对测量场地及测点位置等要求 没有国外标准严格，因此，测量结果的重复性较差。国外由于噪声排放法规非常 严格，因此汽车噪声控制的研究水平及技术方法都比国内生产厂家强且齐全，国 内的厂家大多存在研究、开发条件较差甚至缺乏的问题。目前，国内在振动、噪 声、碰撞等方面的模拟和仿真计算才刚刚开始，对车身结构或部件的各项性能指 标进行系统分析及优化的实例非常之少。这迫切需要我们加强自主研发，掌握国 外关于现代车身设计最先进的核心技术。 1 3 本文研究的内容和意义 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，在整车中占 有相当大的比重，新车型成功的关键是车身结构和造型的成功，由于车身的制造 人力成本和模具成本都很高，改型比较困难。容易造成资金的巨大浪费。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分析计算，评估它的刚度、 强度、振动噪声各项性能，对产品开发、试制的意义重大。因此，车身结构的有 限元分析对产品开发的重要性不言而喻。 本文结合一款0 8 l 两门微型轿车对其车身结构进行有限元分析，找到结构 固有振动特性，并对结构进行优化设计。主要内容如下： ( 1 ) 本文介绍了有限元方法的基本理论、发展和分析流程，阐述了车身结构 模态分析和优化设计的基本原理，并对如何简化模型中的翻边、孔和加强筋等局 部结构做了详细的解释。 ( 2 ) 结合该微型轿车的车身结构，对车身总成及各个分总成的结构和功能进 行了详细介绍。 ( 3 ) 建立车身结构的有限元模型，合理选择单元类型和网格大小，对车身结 构进行了自由状态下的模态分析，利用得到的数据评价分析车身结构的低阶固有 振动频率。 ( 4 ) 对车身结构进行灵敏度分析，以某些钣舍件的板厚为设计变量，对模型 7 武汉理工大学硕士学位论文 进行以白车身轻量化为目标和保证低阶模态频率足够高的优化分析。为该车车身 结构提出改进方案，并比较改进前后结构的性能。确认更合理的车身结构。 通过本文的研究，能对在车身设计中运用有限元技术的方法提供一定的参 考，此外，还掌握了车身结构有限元建模的方法，文中，对模型进行模态分析， 获得低阶固有振动频率，在保证低阶模态频率值足够高的前提下，以轻量化为目 标进行灵敏度分析和优化的过程适合于所有车身模型。该方法对用同类车身结构 的设计和改型具有一定的指导意义。 8 蔓堡堡盔芏塑! 芏笪堡兰 第2 章轿车车身结构及其振动特性 通常来说，车身包括白车身及其附件。白车身一般是指己经焊接好但尚未喷 漆的白皮车身( b o d yi nw h i t e ) ，此外主要指车身结构件和覆盖件的焊接总成， 并包括前，后钣金忭和车门，但不含车身附属设备及装饰件等口】。 轿车车身是一个刚硬的壳体，柬应对外界的各种冲击。同样也是一个按照柔 性内饰的空间舱壁结构，满足各种功能和美观要求。实际上，从保证撞车时车室 空间具有相对完整性和缓冲碰掩动能来看，又要求车身壳体的部分结构具有一定 的柔性。总之，车身结构应满足乘坐、视野、安全、可靠、耐用、美观等功能要 求。车身覆盖件指覆盖车身内部结构的表面钣金件，车身结构件则为支撑覆盖件 的车身及结构零件的总称。将车身结构件和覆盖件焊接在一起即成为车身焊接总 成。 图2 i 白车身焊接总成 2 1 白车身各分总成介绍 轿车车身是由大量的冲压钣金件焊接而成，既满足外形要求又满足刚度和强 度要求。现代轿车车身的构件可分为三类即车身结构件、车身覆盖件及结构加 强件。 ( 1 ) 车身结构件：起着支承车身覆盖件的作用。车身结构件是轿车车身总成 的藿要组成部分，主要为梁和支柱形成了轿车车身的承载粱框架结构，它是保 证车身承裁能力的前提，对保证车身车身跗件，完成车身各活动零部件的动态配 合等功能。 ( 2 ) 车身覆盖件：指车身中覆盖梁、支柱等的构件，主要是车身外表面和车 堇堡垄：垦塞芏堡主芏垡堡塞 身内板，具有较大空间曲面形状。其功能为：封闭车身、形成车身造型及加强结 构强度和剐度等。 ( 3 ) 结构加强件：如各种加强板，结构加强件主要用于加强车身的刚度t 提 高各构件的连接强度。 本文以一款08 l 两门微型轿车为例，介绍白车身各分总的结构。该车身为 承载式车声。一般轿车承载式车身，其前端由两根前纵梁、前围板、前围上盖板、 前围下盖板、挡泥板等形成一个刚性框架：车身中部由左、右倒围( 包括车门上 横梁、门槛和前、后立柱等) 、地板、顶盖和前围板、前风窗框、行李舱围板、 后窗框等构成的盒形结构：其后端则由与后纵粱相焊接的行李舱地板及后轮罩板 所构成。 2 1 1 车身地板结构 车身地板结构是车身的主要承力部分。随着汽车行业的发展，车身造型中广 泛采用细窗柱、大面积玻璃和薄车顶等结构形式，整车的承载分量都集中到地板 上。加上地扳结构本身的防振、隔音和防腐性能的要求，以及车内驾驶性能的不 断改善，地板结构的承力能力要求更高，使得地板结构的设计成为车身结构设计 的重中之重。 轿车车身地板结构主要由地板、地扳梁、支架、地板通道、门槛、连接扳、 座椅支架等构件组成。 图2 - 2 车身地板结构( 正面和反面) 2 1 2 车身前部结构 车身前部结构的主要功能是形成发动机舱，为发动机及附件提供一个护罩； 防止前轮甩泥；外观上体现车身造型设计的要求。承载式车身的前部结构需要支 撑发动机、转向器、悬架和散热器等，并承受各种载荷作用，应具有较强的刚度 和强度。除发动机罩和左、右前翼子板等外覆盖件可拆卸，一般将其他车前钣金 件与车身主体焊接在一起，以形成一个空间四周封闭的车前部承载体。 车身前部结构由前大灯安装框架、前防撞横梁、发动机罩前支撑板、前轮罩 堡堡矍三丕芏堡主芏堡堡塞 板、挡泥板、悬架支座、前纵梁、轮罩等构件焊接组成。 2 1 3 车身前围结构 图2 - 3 车身前部结构 轿车车身前围是分隔车身前部与乘坐室的结构总成。它对改善座舱舒适环 境、保证车身的扭转刚度和提高撞车时的安全性等起着非常重要的作用。从安全 性、室内空间要求、环境和总布置以及附件的安装等方面来讲轿车车身前围结 构应满足要求： ( 1 ) 确保车身扭转刚度，提高撞车安全； ( 2 ) 安装前风窗玻璃厦风窗洗涤器； ( 3 ) 安装转向机，支承转向管柱； ( 4 ) 设置外部空气吸入口和通风道，参加车内空气循环； ( 5 ) 安装空调装置和空气循环的通风管道； ( 田安装仪表台支架和仪表台i ( 7 ) 安装制动、离合踏板和油门路扳装置； ( 8 ) 应具有良好的密封，隔振和隔音效果。 轿车车身前围一般由前围上盖板、前围板和前围下盖板等构件组成 蹰 图2 - 4 车身前围结构( 正面和反面) 2 1 4 车身侧围结构 车身侧围结构是组成座舱的重要构造总成之一。其设计要点有： ( 1 ) 车身侧围的设计要符合整车造型的要求，各粱、柱、后翼子板等都应以车 身外表面造型要求为设计依据；另外，侧围结构表面平滑化是降低风阻系数的有 效手段。 ( 2 ) 保证车门四周的密封性，保证密封条、车门铰链、限位器和门锁的j 下确安 装以及合理布置。 ( 3 ) 充分考虑各构件的材料特性、冲压成型、焊装工艺以及装配精度。现代轿 车车身侧围两框架多采用整体冲压成型的外板，4 i 但能保证良好的工艺性，还兼 顾美观。 “) 适当设置加强板首先保证整个侧围外板不变形，另外，加强门框或车门 安装部位的刚度，避免因刚度不够而引起的门框变形或在车门铰链、车门限位器 等的安装部位产生局部变形，以致破坏车门密封性，造成车门开闭困难。 ( 5 ) 现代轿车设计为获得更大的视野，多使侧圈在腰线以上部分尽量有逐渐变 窄或变细的倾向，这同时要求支柱在腰线以下部分具有更加足够的刚度和强度 车身侧围部分主要由侧围梁框架、车门、后翼子板和后轮罩等构件组成。 口。 图2 - 5 车身侧围结构( 正面和反面) 2 1 5 车身后部结构 车身后部结构又称车后钣盒件，对于本文所研究的两厢式车身的后部结构来 说，主要由后背门及玻璃、后围板、后防撞横粱等组成，形成车身后部抗扭框架。 u 1p 国2 - 6 车身后部结构图2 7 车身后部结构带后背门和玻璃 2 1 6 车身顶盖结构 车身顶盖由顶盖前、后横梁来支承，并从两边焊接在顶盖上，从而增加其剐 度和强度。顶盖前、后横梁分别与车身左、右侧围的前支柱和后支柱的顶端焊接 在一起，形成支承并固定前、后风窗玻璃的刚性框架。对于两厢式车身，顶盖后 横梁又是后车门的上框梁，并且要安装后背门铰链，需要增加加强板保证足够的 支撑剐度和强度。从扩大视野和提高上下车方便性来考虑，现代轿车设计中已广 泛采用薄车顶，四周小圆角过渡的顶部结构形式。在结构设计中保证顶盖的刚性 从而实现较小的钣金件振动噪声。 2 1 7 轿车车门结构 图2 - 8 车身顶盖结构 轿车车门时车身侧围的重要组成部分。其设计要求有： ( 1 ) 车门开启时应保证乘员方便的上下车：车门机构操纵要方便，如开关车门 自如，玻璃升降方便等：车门关闭时，要锁止安全可靠行车途中不会自行打开a ( z ) 要合理确定车门开口位置，设计车门的开1 3 大小和形状并且车门要能停 留在最大开度韵位置上。车门开启过程中不应与车身的其他部位发生干涉。 ( 3 ) 门体应具有足够的剐度和强度，减小车门部分振动，提高车辆侧向碰撞的 安全性，防止车门下沉。 ( 4 ) 良好的密封性能，有较大的透光面，满足侧向视野要求；照好的工艺性。 轿车车门一般由门体、车门附件和内饰盖扳三部分组成。 9q 图2 - 9 轿车车门结构( j 下面和反面) 武汉理工大学硕七学位论文 2 2 现代汽车车身结构设计的特点 二十世纪八十年代中期以来，随着计算技术、并行工程等工程技术的快速发 展以及在车身设计分析中的广泛应用，现代轿车车身结构的设计体现出以下几个 方面的特点： ( 1 ) 追求轻量化。轻量化的优点有很多，最早是两次石油危机的产物，这也 说明其降低油耗的优点，再者，降低车身质量能够减少成本，提高了车型的竞争 力。而轻量化主要的限制条件是：要保证车体结构必要的强度指标以确保汽车可 靠性；保证刚度指标以确保汽车各总成工作正常及车身密封等；保证合理的振动 特性参数以控制振动和噪声。 ( 2 ) 追求舒适性和安全性。承载式( 包括带有副车架的) 车身结构形式由于其 不可替代的优点已成为轿车车身的主流结构形式，但而这种车身结构形式会有带 来更大的振动噪声的可能性，影响乘坐舒适性，因此吸引了众多车身工程人员 的注意。采用承载式车身结构形式不仅对整车的舒适性有影响，而且对行驶安全 性也有影响，无论在什么年代，安全是永远不变的主题，安全性能也会成为一种 有力的竞争手段。随着汽车技术的发展和人们生活水平的提高，舒适性永远是客 户永远追求的目标之一。 ( 3 ) 利用现代车身设计方法，缩短车身结构的开发周期，加快上市速度。时 间就是金钱，效率就是竞争力，现代汽车市场，产品更新换代的速度之快让人瞠 目结舌，如果开发周期过长，其产品不是被其他公司所淘汰，而是被自身所淘汰。 车身开发周期越短，就能尽快在市场上占到先机。 ( 4 ) 设计与分析同步并行是一种新的设计方法并得到更广泛的应用。目前流 行的运作方式是每个车型的开发配套一个结构分析小组，跟踪车型开发的各个阶 段，直到该车的成功上市。依照这种方法设计出的车身基本能达到最后上市的要 求，只需要少量的实验验证。 ( 5 ) 优化设计的思想在车身设计中越来越受到重视。现代车身设计不仅要满 足功能要求，更要满足舒适性，娱乐性能要求，其开发难度越来越大，为缩短开 发周期必须用到优化设计的方法。 轿车车身的重要性不言而喻，现代车身设计方法的应用不可或缺。而现车身 结构设计整个过程都离不开结构分析，比如车身结构刚度和强度分析、车身的模 态分析、车身n v h 性能分析、以及轿车的静态和动态特性分析等。 1 4 武汉理工大学硕十学位论文 2 3 车身结构固有振动特性的基本概念 在研究车身各种力学性能时，我们常把车身简化成一个具有n 个自由度的线 弹性系统。此时，车身结构的动力学方程可表示为： r、，、 阻肛 + 【c 驴 + 吲m = ( 2 - 1 ) ， 式中， m 】为结构的广义质量矩阵，为n 宰n 阶； c 】为结构的广义阻尼矩阵， 为n 木n 阶；【k 】为结构的广义刚度矩阵，为n 乖n 阶； x ) 、 x ) 和 x ”) 分别表示 结构广义坐标的位移、速度和加速度列阵； f 为结构承受的广义外力列阵。 设对应系统1 1 个固有频率的振型矢量为： z 。) = z l 。1fz l ： ， z 2 ) = 乙，l 乙： ， 乙) = 则由阵型矢量所构成的主阵型矩阵为： 乙) = 乙乙乙】_ z l 。z i ： z 2 。z 2 ： z l 。 z 2 。 z i 。 z 2 。 z n tz n 2 。z n n ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 现利用主阵型的j f 交性，司知： 阻0 【z 】r 【m 】 z 】_ i m ： l = 抛【m i 】 ( 2 4 ) l0m 3 j f k0 z 1 7 【z 】= l k l _ d i a g k , ( 2 - 5 ) 【1 0 墨j 根据( 2 4 ) 、( 2 - 5 ) z ，。一i 。一 口g 【m f 】 疣昭【墨】都是对角矩阵。可以推算出结 构的箱i 阶固有频率为： 毋= 蕊。i ( 2 6 ) 由于系统结构内部的阻尼规律比较复杂，一般不容易计算，且在结构各固有 振型之间存在阻尼之间的耦合，在分析阻尼较小的结构时，常可忽略其耦合作用。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 假设阻尼矩阵满足 c 】满足下列条件： z 九c 】【z 】- q c 2 = d i a g c , 】 ( 2 7 ) 则可利用坐标变换可使得方程解耦，如下式： x ) = z m 】 ( 2 8 ) 将上式第一个式中，再前乘以【z 】r ，有 【z n m 】【z 怕0 + 【z 】7 c 】 z 】 g ”) + z n k 】 z 】p ) = 【z 】7 【，】 ( 2 - 9 ) d i a g m , q “ + d i a g c i q “ + d i a g