（光学工程专业论文）sc6370微型客车车身前部结构设计与试验研究.pdf

摘要 摘要黛s 3 本文主要讨论了在长安汽车股份有限公司的s c 6 3 7 0 新品开发中 利用现代设计理论和技术( 如c a d c a m c a e ) ，在现有s c 6 35 0 车型 平台上，快速开发适合市场需求又满足国家碰撞法规要求的s c 6 3 7 0 新车型的有效途径，并在长安公司从单纯引进消化、吸收向联合开发、 局部自主开发，并最终走向自主开发方面进行了一次成功的尝试。 本论文从理论与实践相结合的高度，分析了满足碰撞法规要求的 s c 6 3 7 0 车身结构设计的关键因素。首次完全采用c a d ，c a m c a e 技 术成功解决了开发变型车如何才能满足国家碰撞法规对车身结构的 要求这一课题。 本论文围绕国家碰撞法规对车身结构的要求、车身结构的三维建 模、新车型开发方法、模拟碰撞试验分析研究、工程化设计、实车碰 撞及试验结果分析展开论述。 关键词：汽车车身结构三维建模碰撞试验 a b s t r a c t a b s t r a o t i nt h i sp a p e r ，i ti sm a i n l yd i s c u s s e dt h a tt h ee f f e c t i v ew a y an e wv e h i c l e m o d e lt ob es u i t a b l ef o rm a r k e ta n dm e e tt h er e q u i r c r n e n to fc m v d r 2 9 4i s q u i c n yd e v e l o p e d o nn e wv e h i c l ep l a t f o r mb yt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo f m o d e md e s i g nt h i si sas u c c e s s f u l l yt a s t ef r o ms i m p l ep r o d u c t - i n t r o d u c i n ga n d a b s o r b i n g t o c o o p e r a t i v ed e v e l o p m e n t f r o mp a r t i a ls e l f - d e v e l o p i n g t of u l l s e l f - d e v e l o p i n g w i t ht h ec o n n e c t i o no ft h e o r ya n dp r a c t i c e ，t h ek e yf a c t o ro fb o d ys t r u c t u r e d e s i g nt om e e t t h er e q u i r e m e n to fc m v d r 2 9 4 i da n a l y z e di nt h ep a p e r b yf i r s t u s i n gc a d c a m c a et e c h n o l o g y , an e w a u t o m o t i v em o d e lw h i c hs t r u c t u r ea n d p e r f o r m a r ec h a n g e di ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d ， a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fc m v d r 2 9 4 ，t h e3 dm o d e l i n ga b o u tb o d y s t r u c t u r e ，t h es i m u l a t i o no f ai m p a c tt e s t ，t h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n dt h er e s u l to f ar e a la u t oc r a s ht e s ta r er e s e a r c h e di nt h ep a p e r k e y w o r d s ：a u t o m o b i l eb o a y s t r u c t u r e3 d m o d e l i n gi m p a c t t e s t l 绪论 1 绪论 1 1 概述 随着经济和社会的发展，汽车正逐步进入人们的家庭生活。面对这一 诱人的市场前景，一方面，国内外各大汽车厂商都加大了新品开发及市场 开拓的力度，相互之间的竞争日趋激列。另方面，国家对汽车安全、环 保方面的要求也更加严格。只有面向市场、面向用户，不断采用新技术在 较短的时间里推出与市场对路的新车型才能在激烈的市场竞争中立于不 败之地。 长安公司作为中国最大的微车制造厂家，近年来加大了新车型开发的 力度，但由于历史的原因，目前还处于完全引进阶段，自主开发的步伐相 对滞后。如果继续走引进这条汽车开发之路将会愈来愈不适应于激烈的 市场竞争要求，这样就会陷入落后一一引进一落后一一再引进的怪圈， 这样会从根本上制约我国汽车工业的发展。随着中国加入世界贸易组织 ( w t o ) 的时间日益临近，中国汽车工业何去何从的形势更加严峻，是作 为国外先进汽车工业制造厂商的附庸，还是建立自己完整的开发体系开 发出拥有自己知识产权的新车型是摆在众多汽车制造企业面前的一个严 峻课题。要建立自己的一套完整的开发体系得先建立以一种平台为基础 的车身开发体系，及从局部自主开发逐步走向完全自主开发。 ，c a d c a m c a e 技术被誉为是电力发明以来对促进生产力发展最具潜力 的手段，在汽车行业，目前c a d c a m c a e 已经成为国外汽车工业开发 新产品组织规模生产，加强市场竞争与提高夺标能力的重要手段，特别是 在缩短产品开发周期，提高产品性能，质量和可靠性，降低产品成本方面， 起到了决定性作用。工业发达国家的新车开发周期，在采用c a d c a m c a e 技术之后，已由过去的5 年缩短为3 0 到3 6 个月，当今的c a d c a m ， c a e 技术已是衡量一个国家汽车工业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之一。 1 2 论文课题的提出 长安汽车集团有限责任公司于1 9 8 4 年与日本铃木公司以“技贸合作” 】绪论 的方式，引进铃木公司s t 9 0 k v 系列微型单排及客车生产技术开发生产 微型汽车。1 9 8 8 年长安公司又与日本铃木公司签定了s b 3 0 8 ( a l t o ) 微型 轿车生产技术许可协议，开始了奥拓轿车的生产。1 9 9 3 年长安公司以“技 贸合作”的方式引进生产铃木公司s k 4 1 0 微型客车。1 9 9 4 一一1 9 9 6 年长 安公司委托铃木公司改进开发y 5 1 v 4 ( 即s c 6 3 3 1 ) ，并由长安公司生产。 1 9 9 5 一一1 9 9 8 年以生产技术转让方式委托铃木公司全新设计y j 5 ( s c 6 3 5 0 ) 微型客车，于1 9 9 8 年投产。公司经过近2 0 年的滚动发展和技术改进，以 较少的投入，先后建成了较大规模的汽车生产线和发动机生产线，实现了 “保军转民”的目标。公司微车产销量从1 9 8 5 年起在全国微型汽车生产 厂家中一直名列前三位，近两年来居微车行业第一，是我国最大的微型汽 车、微型发动机生产企业之一。 目前长安公司拥有微型轿车、微型载货车、微型客车等系列微型汽 车共计8 1 个整车品种，加上由这些基本车型所衍生出的各种款式车型共 2 18 种，形成综合生产能力2 0 万辆( 公司本部15 万辆) ，发动机1 8 万台 ( 发动机总装能力为2 4 万台) 。 表1 目前公司的汽车、发动机主要产品 综合生产 种类产品系列能力( 辆 合计( 辆 年) 年) 备注 s c l 0 1 1 ( 单排) 、 s c l 0 1l a ( 双排) 系列 s c 6 3 2 0 1s c l 0 1 0 x 、1 5 万 汽车s c 6 3 3 1 s c l 0 1 4 x 系列2 0 万 s c 6 3 5 0 s c l o l5 x 系列 5 万 奥拓s c 7 0 8 0 1 8 一一2 0 g 系列仅 3 6 8 q 、4 6 2 q 、4 6 5 q万 发动机2 4 万为总装能 3 一一4 万 力 4 7 2 q 、4 7 4 q 随着汽车市场竞争的更加激烈，企业间的竞争方式也由过去的单一产 品竞争、价格竞争转变为企业综合实力和新品的竞争。长安公司要生存和 南京理工大学工程硕士学位论文 发展，必须开展产品的系列化工作，发展多品种的汽车系列，并不断提高 公司的自主开发能力，这是长安公司目前面临的重要任务之一。 m p v ( m u l t i p u r p o s ev e h i c l e ) 车是一种兼有轿车和商用车特征的 多用途车，该车具有轿车的操纵性和乘座感，同时兼有多乘客和大空间的 优点倍受用户青昧。其最大的特点是可通过弹性化的座椅布置营造出不 同的乘座气氛，以供办公、娱乐、睡眠、运货购物、旅游之需，而其价格 与轿车比较相对低廉，很适合中国的国情，具有广泛的市场前景。在国外， m p v 车一经推出，就在汽车市场呈风靡之势。长安公司根据对多用途车 的预研，立项申请报告及评审结论，决定开发m p v 多用途车，考虑公司 目前的技术力量，工艺生产条件等实际情况，确定以s c 6 3 5 0 d e车身为 基础开发s c 6 3 7 0 微型客车，该车型重点从车身造型着手对现有车型的外 观作局部改动并对座椅、内饰、保险杠、灯具等进行重新设计，以营造 出多用途之功能。发动机采用j l 4 7 4 q 汽油机以提高整车的动力性和经济 性。所以s c 6 3 7 0 微型客车是造型更加美观、功能更加齐全的一款多用途 车( m p v ) 。 设计开发s c 6 3 7 0 微型客车是长安公司利用先进的c a d c a m c a e 技 术进行的第一次局部自主开发，在设计开发过程中必须保证该车型与平台 车型( s c 6 3 5 0 ) 一样能通过碰撞实验，达到国家安全方面强制性法规的要 求 0 1 3 我国微型汽车产品发展现状 微型汽车( 在本文中提到的微型汽车仅指微型客车) 能耗低、制造成 本低、因此价格便宜，使用成本低是一种特别适合我国国隋的汽车产品。 目前，微型汽车己连续5 年成为我国各种汽车产品中需求增长最快的品种， 今年( 2 0 0 0 年) 前三季度，在我国轿车需求出现下降趋势( 比去年下降了 8 个百分点) 的情况下，微型汽车的需求量比去年上升了2 3 ，预计明年 还会继续呈上升趋势。 但是随着我国汽车工业的发展，以及国家对环保节能、安全等方面问 题越来起重视，我国政府针对汽车产品环保、节能、安全等方面的性能要 求制定了一系列强制性执行的法规，本文认为对微型汽车而言，在满足国 南京理工大学工程硕士学位论文 3 1 靖论 家制定的法规中，满足正面碰撞被动安全性法规的问题是最迫切同时也是 最困难的问题之一。 汽车被动安全性是指汽车在发生碰撞等交通事故时，车身结构和各种 保护装置对车内乘员的保护能力，它包括正面碰撞被动安全性、侧面碰撞 被安全性、追尾碰撞被动安全性。 随着我国汽车使用人数的增加、汽车交通事故也大大增加，汽车的安 全性问题成了我国人民和政府越来越关心的社会问题。于是，我国于1 9 9 9 年1 0 月开始实施第一个汽车被动安全性法规“c m v d r 2 9 4 关于车辆正面 碰撞乘员保护规则”。该法规对乘用车在时速5 0 k m n 发生正面碰撞事故情 况下乘员保护的被动安全性提出了以下四个方面的要求： ( 1 ) 对假人伤害程度控制的要求，包括对假人头部伤害程度的控制要求( 由 专门规定的头部伤害指标衡量) ：对假人胸部伤害程度的控制要求( 由 专门规定的胸部伤害指标衡量) ；对假人腿部伤害程度的控制要求( 由 专门规定的腿部伤害指标衡量) 。 ( 2 ) 对车身变形控制的要求，主要是对乘员舱变形控制的要求。 f 3 ) 对燃油供给系统发生泄漏的要求。 ( 4 ) 对约束系统的要求。 该法规规定：1 9 9 9 年1 0 月以后在我国新申请上目录的车辆必须满足 该法规要求，对于该法规实施前已开始在我国销售的达不到该规则要求的 进口车辆，1 9 9 9 年1 0 月以后取消进口许可。对于国内达不到法规要求的 已上目录的在生产车辆，要求在2 0 0 2 年7 月1 日以前通过结构改造达到 该规则要求，否则必须停止生产。 对于上述c m v d r 2 9 4 正面碰撞被动安全性法规所提出的性能要求而 言其主要的影响因素是车身结构的某些力学性能。这些力学性能统称为车 身结构正面碰撞被动安全性。 目前我国正在生产的大部份微型汽车都不满足c m v d r 2 9 4 法规的规 定，且有许多是从国外引进的产品。出于技术封锁的目的，国外公司一般 都只同意引进可用于加工的最终设计资料和生产资料，因此，国内各微型 汽车生产企业普遍缺乏这些微车产品开发过程中的设计资料，更不用说这 些微车产品的开发技术。汽车产品开发过程中的设计资料，包括各种力学 南京理工大学工程硕士学位论文 4 - l 靖诧 性能的仿真数据，是改型设计的基础数据和主要依据。虽然s c 6 3 7 0 的平 台车型s c 6 3 5 0 ( 长安之星) 在国内第一个通过正面碰撞，但对其进行改 型设计仍然缺乏设计资料，为了使我国今后的微型汽车产品能满足我国正 面碰撞被动安全性法规的要求，必须首先研究车身结构正面碰撞被动安全 性的设计手段。并且研究所得的设计手段必须具有使产品开发周期短、开 发投资少、开发质量高的特点。 1 4 本论文研究工作的主要内容及意义 本论文主要在以下几个方面开展了工作：( 1 ) 通过对现有长安之星结 构的分析，找出影响车身结构正面碰撞被动安全性的因素，并在工程实践 中加以应用：( 2 ) 利用u g 软件实现了长安公司s c 6 3 7 0 微型客车车体前 部的三维建模，并使车身设计和制造过程实现无误码数据传递，直接沟通 车身的各个设计和制造环节，使传统车身设计与制造方法发生了根本性的 变革；( 3 ) 采用并行协同管理模式进行车身结构的工程化设计；( 4 ) 利用 a n s y s 软件对s c 6 3 7 0 微型客车进行正面碰撞仿真模拟实验，并对模拟的 结果进行较详细的分析；( 5 ) 进行s c 6 3 7 0 整车正面碰撞实车试验，通过 试验对理论分析结果的正确性进行了验证。 本论文的意义在于结合s c 6 3 7 0 微型客车设计开发项目的实施，完成 了c a d c a m c a e 在长安公司车身开发的首次应用，解决了变型车车身 结构如何满足c m v d r 2 9 4 正面碰撞被动安全性法规的要求的难题，从而 使本论文有较高的实用价值，突出了工程背景和实用性。本论文对于汽车 行业车身自主开发能力的形成具有指导意义，在理论与实践上都具有一定 的代表性。 南京理工大学工程硕士学位论文 2s c 6 3 7 1 ) 车身前部结构方案的确定及三维建摸 2s c 6 3 7 0 车身前部结构方案的确定及三维建模 2 1 微型客车的被动安全性能要求 1 9 9 9 年底我国正式颁布了关于正面碰撞乘员保护的设计规则 c m v d r 2 9 4 ，以下简称c m v d r 2 9 4 法规。该法规适用于车辆速度为 5 0 k m h ，壁障于车辆直线行驶方向成0 。夹角条件下的正面碰撞。 对安全车身的要求： ( 1 ) 碰撞中车门不能自动打开。 ( 2 )前门的锁止系统不能锁止。 ( 3 )碰撞试验后，不使用工具对于每排座位至少有个门能打开。 对燃油系统的要求： 碰撞中不许泄漏，碰撞后泄漏量小于3 0 9 m i n 。 对假人伤害指标的要求： 头部：h i c 一 1 0 0 0 ； 胸部：挤压变形7 5 m m ； 大腿骨：压力1 0 k n 。 对约束系统的要求： ( 1 ) 安全带完好： ( 2 ) 安全带、座椅固定点完好； ( 3 ) 碰撞后安全带锁扣开启力小于6 0 n ； ( 4 ) 假人能够完好取出。 面对我国正面碰撞安全法规的颁布执行，如何保证微型客车的被动安 全性能己成为微型客车研究和设计制造人员必须面对的课题。 汽车被动安全性研究的内容主要是在汽车发生碰撞时如何降低乘员伤 害。涉及到汽车结构、转向机构的安装和选用、座椅、挡风玻璃、安全带、 安全气囊及内饰等。但其中最基本的汽车结构不但决定了汽车的整体变形 方式和损伤程度，同时也决定了汽车碰撞过程中的减速度变化。因此，汽 车结构的耐碰性是汽车具有良好被动安全性的基础。 2 2 同类车型的结构与性能的初步分析 南京理工大学工程硕士学位论文 ! ! ! 塑! ! 兰里堕壁堑塑查墨塑堕塞墨三丝垡垡 车架上，横梁的两端焊接在左右前壁板侧板上。左右前壁板侧板、前轮罩 前半部分、前上构件加上车架前横梁、纵粱前段和前壁板形成一个框架结 构。这个框架结构与前保险杠、前罩板、前翼子板一起组成了s c 6 3 5 0 的 变形区。 2 3 $ 0 6 3 7 0 车身前部结构设计 s c 6 3 7 0 微型客车设计任务书要求以s c 6 3 5 0 为基型加长，对车身前部、 座椅内饰、保脸杠、前组合灯等部件进行改动和重新设计。 s c 6 3 7 0 微型客车的造型设计要求加长车体前部涉及改动和重新设计 的车身结构零部件有前罩板焊接总成、前翼子板、前上构件焊接总成、前 壁板侧板、翼子板保险杠托架、前牵引钩、前横梁、纵梁前段。 ( 1 ) 前罩内外板和翼子板在保持与长安之星同风格的基础上进行 加长。 ( 2 )将前上构件的位置向前移动，结构进行重新设计，以适应 s c 6 3 7 0 的车体前部的设计要求。 ( 3 ) 将s c 6 3 5 0 的纵梁前段加长。 ( 4 )前横梁的结构形式不变，仍为管状武。 ( 5 )s c 6 3 7 0 的前壁板侧板在s c 6 3 5 0 前壁板侧板的基础上向前加 长。 ( 6 )重新设计s c 6 3 7 0 的前大灯支架。 ( 7 )采用一个新设计的翼子板保险杠托架，并同前壁板侧板焊接在 一起。 ( 8 )前罩锁支撑不作大的改动。 在s c 6 3 7 0 结构设计过程中主要考虑了以下几个方面的因素： 零件的工艺性包括冲压工艺性及焊接工艺性；零件相互之间的关系 及其对总装的影响；s c 6 3 7 0 前端结构对整车碰撞安全性的影响。 ( 1 ) 设计是否满足冲压工艺性的要求 在零件设计过程中与工艺部门协调以保证零件设计的最终结果便与 工艺设计和模具制造。如前大灯及保险杆托架的改型设计，在初步设计中 形成的前大灯托架由于结构形状十分复杂冲压成型和焊接装配都很困难。 南京理工大学工程硕士学位论文 - 9 ! ! ! ! ! ! ! 兰墨萱塑堕塑查塞堕塑塞墨三生堡堡 通过大量的修改和对比设计，不仅简化了形状，而且提高了冲压成型性， 同时改善了焊接工艺性。 ( 2 ) 设计是否满足焊接工艺要求，并且最大限度地利用现有的s c 6 3 5 0 的焊接夹具。 在零件设计过程中与工艺部门协调，尽可能使工艺夹具孔位置、零件 焊接性能、焊接位置都能满足工艺要求。如新设计的前横梁的翻边宽度、 倒角大小、零件长度均作了相应的改进设计。 ( 3 ) 设计零件的装配性是否良好，是否有利于整车的装配要求 $ c 6 3 5 0 的一些零件设计在案装工艺方面存在一些缺陷。如翼子板、保 险杆托架与前大灯安装托架不是一个零件，车体前端的前保险杆、前翼子 扳等零件的安装位置需要靠零件的冲压公差及焊接公差来保证，而最终这 些公差累积就体现在前大灯与前罩板、前翼子板、前保险杆的周边间隙上。 而日本铃木公司y j 8 样车对这个问题作了很好的解决。它把翼子板保险杆 托架与前大灯安装托架两零件和二为一，设计成一个全新零件。其上有前 大灯、前保险杆、前翼子板的安装孔，依靠冲压孔位置来保证安装公差。 冲压孔位置公差能保证在0 5 m m 以内，这样能很好的控制相关零件的安装 公差。在设计s c 6 3 7 0 的相同零件时，我们也采用了同样的设计方法，零件 三维数据出来以后，工艺认为零件结构形状太复杂。很难满足零件冲压工 艺要求。因为s c 6 3 7 0 的前保险杆比日本y j 8 样车的前保险杆大得多，相应 安装位置发生了变化，造成零件形状位置也发生变化，现在要求两零件合 成一个零件，这不能满足制造工艺的要求。因此，最终设计方案仍采用了 两个零件的方案。在充分听取了冲压、焊接工艺师意见的基础上对冲压、 焊接作了相应改进。保险杆与前大灯周边的间隙，还需要通过夹具和检具 等多方面严格控制。 ( 4 ) 是否有利于维修或操作的性能 在设计过程中对零件是否有利于维修或操作的性能方面也作了分析考 虑。 首先通过预装发现水箱、冷凝器托架与前横梁发生干涉，更改的方案 有两个： 改变前横梁的大小，同时前上构件加宽： 南京理工大学工程硕士学位论文 - 1 0 - ! 兰箜! ! 主皇萱塑堕塑查塞塑堕塞墨三丝壁堡 水箱托架位置后移。 对于方案，其优点是初步设计中的水箱、冷凝器管道更改较小，在 水箱托架上的保险杆支架也不变。缺点是由于前横粱、前上构件有较大变 化，使整个结构布置较为困难。同时由于前上构件加宽，发现水箱、冷凝 器的位置同宽，这将会导致水箱盖开启不便。 方案的优点是关键部件改动较小。缺点是要改变水箱、冷凝器管道 的布置。 两方案进行比较，认为方案改动成本较小因此选择方案。 另外对前上构件与前壁板侧板之间的焊接搭配位置关系，也作了些 调整，对前上构件的板厚作了调整。在前壁板侧板的相应焊接搭配位置上 增加了压肩，对前保险杆与翼子板保险杆托架之间的间隙也作了调整，在 前壁板侧板的相关位置加大了翻边尺寸，并增加了过孔。 ( 5 ) 是否满足结构强度和碰撞安全性的要求。 s c 6 3 5 0 是款安全性很好的微型客车，它成功的被动安全性碰撞试验 证明了该车在结构设计方面、零件结构强度和刚度、以及碰撞安全性等方 面很成功，这是我们在设计中应该借鉴的。 s c 6 3 5 0 前端主要吸能件及功能是这样的：保险杆首先被碰撞变形，然 后纵梁前段端被碰撞变形，此后前罩板内板和外板、前横粱、前壁板侧板、 前上构件、前翼子板相继被碰撞变形，最后前桥和车轮被碰撞变形及破裂。 其中主要吸能件是前上构件、前横梁和纵梁前段，纵梁前段在碰撞变形中 吸收大量动能，碰撞后纵梁前段成手风琴状压缩收缩。收缩量大约为2 0 0m m ，其它构件也变形吸收了一部分动能。 s c 6 3 7 0 的结构设计中充分借鉴了s c 6 3 5 0 系列车的优秀设计对前横梁、 纵粱前段的设计作了结构强度和碰撞安全性方面的考虑。主要结构参照了 日本y h 8 样车的相关零件的设计。 由于纵梁前段加长，在s c 6 3 5 0 的基础上增加1 7 0 m m ( 原则：在车身前 部和后部均为弹性结构而中部为刚性结构情况下，能保护乘员安全， 在碰撞过程中不产生压弯变形，而保证使它产生对吸能最有效的压缩 变形) 。为此在纵粱前段增加一个压缩筋阻使纵梁前段受正面碰撞时 引起收缩起皱。另外纵梁前段上在底部增加了一个工艺孔，由于在工 南京理工大学工程硕士学位论文 - ii 2s c 6 3 7 0 车身前部结构方案的确定及三维建模 艺孔处可能会削弱纵梁的强度，所以在工艺孔处增加压筋，使局部得 到加强。 在s c 6 3 7 0 初步设计中，前横梁仍采用s c 6 3 5 0 的结构，未采用钢管的 方式。通过对比日本铃木公司y h 8 的设计，前横梁改为两块板材焊接 组合而成。通过这样改动，增加了车身遭受碰撞时前横梁的吸能性能。 从而提高车身的安全性。 由于前横梁加宽，将前保险杆的支架改变为焊在前横梁上。 在初步设计中，前上构件的结构进行重新设计。通过分析，这一结构 在满足s c 6 3 7 0 碰撞要求的强度、刚度，内部设备( 水箱、冷凝器) 安 装等方面需要进一步改进。改进的主要内容：增宽前上构件截面宽度 ( 平均1 5 m m ) 、将水箱、冷凝器装配孔从前上构件后侧面移到后部翻 边上面。将前上构件的翻边长度增加，以便增加安装孔：同时因为 s c 6 3 7 0 的车身前部加长，内部较空，前上构件的形状可以适当简化， 这样可阻使前上构件的冲压性能得以改善。前上构件是在碰撞过程中 主要的吸能零件之一，原零件的强度刚度不够，给人不安全的感觉， 这也是更改设计的主要原因。 将前罩锁的装配面改动与前上构件配合。 2 4 $ 0 6 3 7 0 微型客车车身前部结构三维建模 基于前面的分析，本文将首先对所确定的s c 6 3 7 0 微型车的前部进行3 维几何建模，为该部分的模具设计、工艺设计打下基础。 基于结构特征的三维产品模型的建立是实现c a d c a m 集成的关键技术 之一，它也是实现汽车车身c a d 和模具c a d 、c a p p 、c a m 集成的一个关键技 术。由于长安公司“长安汽车产品开发支持系统”一期工程的建成，我们 用u gv 1 6 在i b m 工作站上完成了s c 6 3 7 0 微型客车车身前部结构的三维建 模。 本人率领车身设计室全体设计人员，以日本铃木公司提供的s c 6 3 5 0 的三维线框模型为基础，建立了s c 6 3 7 0 微型车整车几何模型，部分几何模 型如下( 图2 4 1 ) ： 南京理工大学工程硕士学位论文 2s c 6 3 7 0 车身前部结构方案的确定及三维建摸 图2 4 1s c 6 3 7 0 整车几何模型 纵梁的三维数模见图2 4 2 。 图2 4 2s c 6 3 7 0 纵梁三维面模 南京理工大学工程硕士学位论文 1 3 2s c 6 3 7 0 车身前部结构方案的确定及三维建模 改进设计的前上构件见图2 4 3 。 图2 4 3s c 6 3 7 0 前上构件三维线框模型 全新设计的前横梁总成见图2 4 4 。 图2 4 4s c 6 3 7 0 前横梁总成三维模型 南京理工大学工程硕士学位论文 1 4 2s c 6 3 7 0 车身前部结构方案的确定及三维建模 前壁板侧板的改进设计见图2 4 5 。 ， ， 节 “、。7 飞。 誊一 ； 生一+ 珂 i j 。一； - ? 盼? j t ，： 图2 4 5s c 6 3 7 0 前壁扳侧板的三维模型 改进设计的前翼子板保险杠托架见图2 4 6 。 图2 4 6s c 6 3 7 0 前翼子板保险杠托架的三维模型 南京理工大学工程硕士学位论文 1 5 2s c 6 3 7 0 车身前部结构方案的确定及三维建模 全新设计的前大灯托架见图2 4 7 。 图2 4 7 s c 6 3 7 0 前大灯托架三维模型 改进设计的散热器支架见图2 4 8 。 图2 4 8s c 6 3 7 0 散热器支架三维模型 南京理工大学工程硕士学位论文 1 6 25 c 6 3 7 0 车身前部结构方案的确定及三维建模 s c 6 3 7 0 前部结构的三维模型见图2 9 。 图2 9s c 6 3 7 0 前部结构的三维模型 南京理工大学工程硕士学位论文 1 卜 3 c 6 3 7 0 车身前部结构的工程设计方法研究 3 s c 6 3 7 0 车身前部结构的工程化设计方法研究 3 1 建立面向汽车车身工程化设计的并行协同模式 并行协同工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 是集成的，并行地设计产品 及其相关的各种过程( 包括制造过程和支持过程) 的系统方法。这种方法 要求产品开发人员从设计一开始应考虑产品整个生命周期中从概念形成 到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、过渡计划和用户的要求。 并行工程方法由于能使工作专业知识相异的人协同工作，提高了交叉学科 的创造力，所以大大缩短了产品开发周期；由于从开始设计阶段就进行了 工艺优化，所以不会出现没考虑过加工问题的产品设计：另外由于在设计 阶段就考虑了投资销售以及加工、装配、维修等问题，所以能使废品率、 返修率和成本大大降低。并行协同工程扔方法与思想在整个制造业中得到 广泛的传播和应用。在许多发达国家它己成为一种贯穿于新产品快速开发 全过程的核一t i 技术。以汽车产品为例，它一般由车身、发动机、底盘等几 大总成组成。就整车而言，车身是汽车产品开发的着急零部件之一。它们 是由复杂的自由曲面、孔、筋板组成，经过模具多次冲压成型，其设计与 制造的技术要求较高，是影响车身外型与结构的主要因素之一。它开始于 车身的造型与结构设计，同时又和冲压成型工艺、模具的设计、制造密切 相关。由于车身覆盖件的开关及结构较复杂，其设计制造过程是一个多领 域协作过程，因此在整个设计与制造周期内，是多领域知识的综合应用与 频繁交流。在这种多领域协作的过程中，采用传统的串行开发模式，易造 成整个开发过程各环节的彼此脱节和总体工作效率低下。 为满足承载与性能结构的要求，车身覆盖件一般都是由较复杂的自由 曲面、孔和筋板等组成，尤其是内覆盖件，其形状与结构更为复杂。在覆 盖件的设计制造过程中，其传统的工作流程是：在车身造型方案确定后， 采用c a d 技术进行覆盖件的三维结构设计与性能分析，待设计确认后， 将覆盖件零件的三维c a d 数据( 三维线框或晦面) 提交给工艺部门进行 冲压工艺设计。由于覆盖件是是金属板材经拉延、切边冲孔整形翻边等多 南京理工大学工程硕士学位论文 ! ! 塑垫垩墨壁苎苎塑堕三堡堡生查堡坚塞 可以在团队内部解决，从而使团队内各成员间的协调节工作变得容易，使 并行协同工作能以实现，并在各种使能技术支持下，团队成员能高效率地 完成车身零件设计，制造中的所有工作。 面向车身零部件自主开发的并行协同工作模式如图3 1 1 所示在此 模式下，建立了面向车身零部件开发的并行协同工作流程、项目管理与动 态多功能团队的组建策略，从宏观上发迹了传统的串行工作模式。这种新 的并行协同工作模式已在s c 6 3 7 0 微型客车车身前部结构的工程化设计中 发挥了巨大的作用，并取得良好效果，使车身零部件的开发周期缩短 】3 1 ，2 。 3 2 建立面向s c 6 3 7 0 车身零部件自主开发的并行协同集成环境 产品开发过程是一个由多个部门、多种设计制造人员、多种资源在一 定条件下相互联系、相互影响、相互作用的一个动态系统。在这个动态系 统中，技术、组织、人和信息是表征系统的状态函数，其中开发过程的每 个阶段都要涉及多个专业的配合与协作，各专业之间要相互交换设计图 形、技术资料和文件、存在大量的信息交流和协调。团队中的每位人员都 应根据其职能和需求，及时得到各部门、各层次的相关信息，才能使自己 的工作与整体协调，从而达到开发活动的总体最优。 为了实现s c 6 3 7 0 车身覆盖件产品的并行协同开发，需构造个信息 技术支持下的并行协同环境，才能保证并行协同工作模式的实施，为此我 们根据覆盖件产品设计制造特点，构造了一个由支持层、工作层和协同层 组成的三层并行协同集成环境，如图3 ，2 1 所示。 南京理工大学工程硕士学位论文 3 c 6 3 7 0 车身前酃结构的誓程设计方i 击研究 南豪建工大学王程壤士学搜论文 2 l 一 3 c 6 3 7 0 车身前韶结构的工程设计方法研究 3 21 车身并行协同开发环境 模具制造l 从图中可以看到，车身件产品的开发过程通过支持、工作、协同三个 层次进行组织。最多层是对车身件产品开发的支持层，在该层中包含车身 整车结构与覆盖件开发的各种法规标准、设计知识、工艺知识、模具知识 以及模具实例，模具) j w t - 等许多与覆盖件设计制造密切相关的支持技术及 信息。工作层是参与覆盖件开发的一组相关设计制造活动而协同层是整个 覆盖件开发活动的核心，它使工作层的各项活动通过协同机制有机地结合 起来，通过协同机制，各项与覆盖件开发相关的活动可以实时地进行控制 和数据交换，从而实现整个覆盖件开发地程的并行。该协同机制建立在企 业1 n t e r n e t 之上，通过各种c a x c f x ，p d m 应用系统组成。 要按照并行协同过程进行车身覆盖件的开发，重点是并行协同机制的 建立。实现这种并行协同机制的计算机网络、工作流控制与管理、产品数 据管理、产品数据交换各种与覆盖件开发相关的应用系统配置及开发的组 织结构等的集合就构成了并行协同集成环境。 3 3 并行协同环境下的s c 6 3 7 0 车身零部件自主开发工程实践 南京理工大学工程硕士学位论文 ! ! 塑! ! 圭皇堕塑堕塑竺三堡堡生查鲨翌塞 汽车产品开发策划阶段完成后，就进入了并行工程应用最体现优势 的阶段即工程化阶段，这一阶段又包括工程化设计、工程化制造两个阶 段。采用并行工程的过程并行与阶段并行理论，工程化设计阶段同样离 不开工程化制造阶段。因为工程化设计出的产品、工艺可行性如何，必 须加以验证，这就依赖于工程化制造的快速化原型技术。在本项目中由 于设备、技术限制，只采用了简易树脂模与冲压仿真( c a e ) 技术，成 功地验证了s c 6 3 7 0 车型最关键、最重要的零件之一的前围的产品装配可 行性，冲压工艺可行性。在工程化设计阶段广泛采用并行工程的使能技 术、如主模型方法，c a x 、c b d 、d f x 、v p d 、p d m 等技术及采用多功 能设计团队工艺与产品设计并行从而使s c 6 3 7 0 车型开发庞大的设计 工程得以并行化完成。 3 3 1 长安s g 6 3 7 0 车型开发工程化阶段工作流程 长安s c 6 3 7 0 车型开发工程化阶段包括产品工程化设计，产品的工艺、 性能、装配验证、工艺工装设计、工装制造、生产线建设等。长安s c 6 3 7 0 车型车身开发包括自制部份，配套部份。长安公司自制件部份全是车身 件，对于自制件的开发流程见图3 3 1 。 南京理工大学工程硕士学位论文 3 c 6 3 7 0 车身前部结构的工程设计方法研究 图3 3 、l 长安公司s c 6 3 7 0 车型车身开发自制件流程 对于配套件部份是由长安公司提供安装、外形的约束条件，产品开发 交由配套厂家开发，然后由长安公司进行产品的确认及验证。整个配套件 的开发采用电子样件的方式进行，整个开发流程见图3 3 2 。 南京理工大学工程硕士学位论丈 3 c 6 3 7 0 车身前部结构的工程设计方法研究 产品的基本安装、外形约束条 e m a i l 产品的开发( 电子样件) 件的耀世 主机厂配套厂家 il t 电子样件产品的确认 电子样车环境下的装配 反馈意见 主机厂 jt 、r 样车试装配快速原型制作样件 王利l 1r 车身零件模具开发产品模具开发 王删lj i 1 ，上 样车批量试生产 产品批量试制 主机厂 图3 3 2 配套开发流程 从以上的配套件开发流程图可看出在主机厂进行产品工程化阶段，配套厂 家就并行开始了配套件的开发，其开发过程与进度一定要满足主机厂的要 求，并且需要主机厂专责技术人员在主机厂与配套厂之间起桥梁作用，协 南京理工太学工程颐士学位论文 ! ! 塑垫兰星塑塑堕塑堕三堡堡生查堡竺塞 调检查整个配套件的开发过程及质量。主机厂专责技术人员既要参加主机 厂新车开发，又要参加配套厂的配套产品开发。因为只有专责技术人员才 了解该产品的性能、国家标准要求、安装、结构等技术问题。对于配套厂 家来说，也只有专责技术人员才清楚整车的一些基本情况。在整个汽车开 发并行工程中，专责技术人员是主机厂与配套厂并行开发过程成功与否的 关键。 3 3 2 长安s c 6 3 7 0 车型开发实施计划及阶段目标分解方法 推行长安s c 6 3 7 0 车型开发并行工程，最重要的是制定出可行的科学 的各级网络图，它是指导整个并行工程推行的向导和“地图”。对于s c 6 3 7 0 开发并行工程来说，一级网络图是针对整车开发的阶段目标和进度，二级 网络图是各零部件及总成的开发目标及进度，三级网络图是针对工艺工装 开发厂家的夹模具开发目标及进度。要推行并行工程就必须在各级网络图 制定中就贯彻并行工程的理念和思想。 s c 6 3 7 0 车型开发工程化阶段并行工程在某种意义上讲也是产品并行， 实施多产品工程化设计、制造，设计并行包括产品设计与工艺设计并行： 过程并行，设计过程与产品的验证过程并行。在工程化阶段，特别是在工 程化设计阶段，大量采用并行工程的一些关键使能技术，如多功能小组、 合理化工程、主模型方法，采用q f d ，b e n c h m a r k ，s t a g e - - g a t e 技术的产 品开发全过程质量保证系统，三c p ( c a d c a e c a m p d m ) 一体化技术、d f x 技术、集成化产品和过程建模( i p p d ) 、v p d 技术等。 并行协同环境下的汽车车身开发工程化阶段严格按各级网络图的时 间进度网络图的要求，高质量地完成所有产品设计开发、电子样车、样件 设计，所有产品的资料、文档、标准等技术文件设计制订，所有零部件的 夹模具、检具工艺工装资料设计、夹模具检具制造、装配、调试，焊接、 涂装、总成等生产线建设或改造等。在这一阶段，按部件总成组建多功能 开发团队，团队成员即有总体、车身、底盘、电器、内饰、冲压、焊接、 涂装、总装专业经验丰富的工程师，又有制造部门的成员，还有质量部门 的质量师进行过程控制和设计制造质量控制，还有经济师进行成本控制即 南京理工大学工程硕士学位论文 ! ! 塑! ! 兰墨堕塑堑塑竺三堡堡生查垄塑茎 面向成本的设计制造过程。且多功能小组成员是动态的、虚拟的。配套件 的开发多功能团队成员由主机厂与配套厂共同组成跨地域、跨行业的虚拟 开发团队，开发模式按协同产品商务( c p c ) 模式。在并行协同支持系统 及使能技术支持下，在各团队之间实时并行协同地开展零部件地开发，也 包括在开发团队内部并行协同地展开开发工作。其中最新的高科技技术如 c a d c a p p c a m c a e p d m ，i n t e r n e t i n t r a n e t 会使整个开发工作最大限度 地受益。并行协同环境下的长安s c 6 3 7 0 车型车身开发实施效果是非常显 著的，其经济效益、社会效益非常显著。在本论文完成时，该车型已基本 进入小批量试制，已生产出整车近3 0 辆，市场前景很看好，经济效益可 能会大大超过策划时所预测的效果，社会效益也非常显著。 南京理工大学工程硕士学位论文 4s c 6 3 7 0 车身前部结构碰撞模拟 4s 0 6 3 7 0 车身前部结构碰撞模拟 4 1 概述 对s c 6 3 7 0 微型客车进行汽车正面碰撞仿真模拟之前，首先对s c 6 3 5 0 微型客车进行了汽车正面碰撞的仿真模拟与试验分析，从而对s c 6 3 5 0 微 型客车的正面碰撞眭能的认识，即可对二者的安全性能进行对比分析。针 对s c 6 3 5 0 车型碰撞减速度过大的问题，对8 c 6 3 5 0 车型的车架前段进行了 结构修改，增加了主要吸能部件一一纵梁的长度，同时修改了其前横粱的 结构，并在此基础上设计出8 c 6 3 5 0 的改型车一一s c 6 3 7 0 汽车。 本文率领本室技术人员，采用a n s y s l s d y n a 3 d 软件对s c 6 3 7 0 整车进行正面碰撞数值模拟分析，结果表明：车身总的变形形态、各主要 吸能部件的变形状态特征与s c 6 3 5 0 汽车正面碰撞相似，碰撞过程中车体 关键部位的减速度曲线的最大值略低于s c 6 3 5 0 汽车。 4 2 有限元模型的建立 有限元分析是以c a d 三维建模软件在图形工作站上所建立的自车身 的几何模型为基础，并将其通过i g e s 标准接口输入a n s y s l s d y n a 3 d ， 在a n s y s l s d y n a 3 d 的前处理环境下作适当简化，并建立整车的正面 碰撞数值模型，最后用l s d y a n 3 d 进行整车的计算分析。 4 2 1 整车建模 由于已有s c 6 3 5 0 的分析基础及其分析文件，而且s c 6 3 7 0 主要对纵 梁和前横粱作了相应的结构修改，所以可以在原s c 6 3 5 0 分析文件的基础 上进行s c 6 3 7 0 模型的创建工作。 将结构修改部分的电子文档通过标准1 g e s 接口输入原s c 6 3 5 0 分析 文件，按有限元模型的要求对模型进行删改，并按设计要求与原s c 6 3 5 0 结构进行连接，即生成s c 6 3 7 0 车的分析几何模型。如图4 2 1 所示。 南京理工大学工程硕士学位论文 4s c 6 3 7 0 车身前部结构碰撞模拟 图4 2 1s c 6 3 7 0 整车几何模型 网格划分，同s c 6 3 5 0 车一样，采用b e l y t s c h k o t s a y 薄壳单元来划分 车身的板件。采用s o l i d 单元对发动机及后轮进行了模拟。由于前轮对碰 撞性能可能产生影响，因此用薄壳单元来模拟前轮，并赋予相应的弹性模 量，以此来模拟前轮可能对正面碰撞性能可能产生的影响。网格密度及单 元规模均参考s c 6 3 5 0 模型进行取定。其余如材料模型，边界条件等均同 s c 6 3 5 0 模型。经过有限元离散化后生成整车有限元仿真模型如图4 2 2 所 示。模型总共有2 5 9 6 9 个晕元2 5 3 8 6 个节点。 图4 2 2s c 6 3 7 0 整车有限元模型 南京理工大学工程硕士学位论文 4s c 6 3 7 0 车身前部结构碰撞模拟 42 2 控制参数的选取 显式动力有限元法计算量大，且计算过程受单元变形的影响，时间步 长的大小、沙漏模态的控制及显示积分带来的质量缩放等均可能对结果产 生根本性的影响。 ( 1 ) 时间步长的选择 根据显式积分法理论，积分方程的最小时间步长由最小单元长度l 。 和