（机械工程专业论文）基于有限元法的客车车身轻量化设计研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着汽车技术的发展，节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展 的总趋势，减小汽车自身质囊是汽车降低燃油消耗及减少排放的有效措施之一。减 小汽车自身质量、提高燃油效率是今后汽车技术发展的主要方向之一。 随着计算机技术的发展，计算机分析仿真和模拟技术越来越多地应用到汽车设 计中，c a e 极大地缩短了产品的研制周期，减少了开发费用，有利于通过优化等手 段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。采用有限法( f e m ) 计算车身结构的 应力和变形，进行强度和刚度分析，应用到新车型的车身结构分析中，以便使其在 满足车身强度和刚度的目标要求下，达到车身的轻量化设计。 本文基于有限元分析方法研究客车车身轻量化设计问题，建立了车身结构有限 元模型，总结归纳了客车车身结构离散化的方法，在各种工况下通过对车身应力和 变形计算分析研究，并进行了客车车身结构的模态分析和车身局部结构的灵敏度分 析，探索车身结构对车身总成的强度和刚度的影响，优化车身结构，达到车身轻量 化设计，将结果应用到车身结构设计中，使车身结构设计有据可查、有理可依，达 到精确的动态设计来替代经验静态设计，以降低车身钢材的浪费，减轻车身重量， 降低成本，提高整车的燃油经济性。 关键词：客车车身骨架有限元结构分析轻量化 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l et e c h n o l o g y ，e n e r g y - c o n s e r v a t i o n , e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，s e c u r i t y ，c o m f o r t a b l e ，i n t e l l i g e n c ea n di n t e r a c t r r et h et o t a lt r e n d s o ft h e a u t o m o b i l et e c h n i c a ld e v e l o p m e n t i ti st or e d u c eo n e so w nw e i g h to ft h ec a rt h a tr e d u c e s t h ef u e lc o n s u m i n ga n dh a r m f u lg a sd i s c h a r g i n g t h el i g h t w e i g h to ft h ea u t o m o b i l ec 匝 i m p r o v et h ee c o n o m y o ft h ef u e ln o t a b l y i ti so n eo ft h em a i nd i r e c t i o n so ft h ea u t o m o b i l e t e c h n i c a ld e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r et or e d u c eo n e so w nq u a l i t yo ft h ec a ra n dt ok n p m v e t h ee f f i c i e n c yo ft h ef u e l w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e r , t h ec o m p u t e ra n a l y s e s ， e m u l a t i o na n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya r ea p p l i e dt ot h ea u t o m o b i l ed e s i g nm o r ea n dm o r e c a eh a ss h o r t e n e dt h er e s e a r c hc y c l eo ft h ep r o d u c t sg r e a t l y ，r e d u c e dt h ed e v e l o p m e n t e x p e n s e h e l p e dt od e v e l o pt h ec o m p l e t e dc a rw i t hm o r es u p e r i o rp e r f o r m a n c ea n ds p a r e p a r tt h r o u 曲t h em e a l - i so fo p t i m i z i n g t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t oc o m p u t e rt h e s t r e s sa n dd e f o r m i n go ft h ea u t o m o b i l eb o d ys t r u c t u r ei sc a r r i e do ni ni n t e n s i t ya n d r i g i d i t ya n a l y s i s t h er e s u l t sa t ea p p l i e dt ot h en e ws t y l ei nt h ea u t o m o b i l eb o d ys t r u c t u r e a n a l y s i s ，i no r d e rt om a k e i tr e a c ht h ea u t o m o b i l eb o d yl i g h t w e i g h tu n d e rt h ec o n d i t i o no f m e e t i n gt h ei n t e n s i t ya n dg o a lr e q u e s tf o rr i g i d i t yo fa u t o m o b i l eb o d y t h el i g h t w e i g h to fb u sb o d ya n dd e s i g n sw e r es t u d i e db a s e do nt h ef i n i t ec l e m e n t m e t h o d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fa u t o m o b i l eb o d yw a ss e tu p t h ed i s c r e t em e t h o do f a u t o m o b i l eb o d ys t r u c t u r eo fb u sw a ss u m m a r i z e da n ds u m m e du p s t r e s sa n ds t r a i no ft h e b u sb o d yw e r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e du n d e rv a r i o u sk i n d so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h e m o d a la n a l y s i sa n dt h es e n s i t i v i t ya n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo ft h eb u sb o d yw e r ec a r r i e do n t h ee f f e c to ft h eb u sb o d ys t r u c t u r eo ni n t e n s i t ya n dr i g i d i t yw a ss t u d i e d t h es t r u c t u r eo f b u sb o d yw a so p t i m i z e dt or e a c ht h eg o a lo fl i g h t w e i g h td e s i g no fa u t o m o b i l eb o d y t h e 玎 华中科技大学硕士学位论文 r e s u l t sw e r ea p p l i e dt ot h es t r u c t u r a ld e s i g no fa u t o m o b i l eb o d yt om a k et h es t r u c t u r a l d e s i g no fa u t o m o b i l eb o d yr e a s o n a b l ea n dp r o o f t h ee x p e r i e n c e ds t a t i cd e s i g nw a s s u b s t i t u t e db yt h ea c c u r a t ed y n a m i cd e s i g ni no r d e rt or e d u c et h ew a s t eo ft h ea u t o m o b i l e b o d ys t e e l ，l i g h t e na u t o m o b i l eb o d y , l o w e rc o s t s ，i m p r o v et h ef u e le c o n o m yo ft h eb u s k e yw o r d s ：b u sb o d y f r a m e w o r kf e ms t r u c t u r ea n a l y z i n g l i g h t w e i g h t i l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年，。月卅日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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。 本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密卤： ( 请在以上方框内打“”) 指导教师签名锄 日期：摊明纠日 吁 舻 鹤叫 者，口 炸，眄 沧p 靴壁| 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 汽车正以越来越大的影响改变着人类的社会生活，给人们的生活带来了极大的 便利；但同时，汽车也使用着大量的能源。自1 9 7 3 年石油危机发生后，汽车轻量化 问题在世界各国获得了广泛的关注，这是因为【1 12 1 ： 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。面对这种严竣前景，降低燃料消耗( 以下简称燃耗) 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之一。 2 ) 地球环境问题。燃耗与废气排放密切相关，汽车排放中的c o ，n o ：，c o ：等是 造成温室效应和空气污染的重要原因的增加倾向显著增强特别是c o ：气体( 地球温 室效应的5 0 是由它造成的) ，近年来主要国家已相继制定或正在制定限制嫌耗和排 放的严格法规。 车身结构的轻量化对汽车节能和环保具有重要意义。据统计，客车、轿车和多数 专用汽车车身的质量约占整车自身质量的4 0 6 0 。减轻汽车自身的质量，一方面 节约了原材料，降低了汽车的生产成本，另一方面也降低了燃油消耗，有利于环保。人们 现已熟知的美国p n g v 计划，预计到2 0 0 4 年或2 0 0 5 年，美国轿车将达到每升汽油可行 驶约3 4 k i n ( 3 倍燃料效率) 。欧洲汽车生产商也承诺6 年后将降低4 0 的能源消耗， 并在此期间减少大约5 0 的c 0 ：排放量。减小汽车自身质量是汽车降低燃油消耗及 减少排放的最有效措施之一。美国的p n g v 计划要求轿车自身质量减d 4 0 。同本大 须龙治较系统地研究了日本汽车轻量化与燃油经济性之阳j 的关系，指出汽车轻量化 可显著提高燃油经济性，减小汽车自身质量、提高燃油效率是今后汽车技术发展的 华中科技大学硕士学位论文 主要方向之一【4 1 。世界铝业协会提出的报告指出，汽车质量每减小1 0 ，可降低6 8 的油耗，程振彪等人将减小汽车质量归纳为以下五种说法【6 】。 1 ) 汽车质量每减，j x l o o k g ，则酉公里油耗可减少0 2 0 8 l ，一般为4 5 左右。 2 ) 汽车质量每减小3 ，则可节油1 3 。 3 ) 汽车质量减小1 ，其油耗可减少0 7 ；汽车质量减小3 3 0 4 4 0 埏，可节约 燃油费用2 0 左右。 4 ) 汽车质量每减d 、5 0 k g ，则每升燃油行驶的距离可增力i l k m ；若质量减4 x 1 0 ， 则燃油经济性可提高5 5 左右。 5 ) 轿车质量每减d x l 0 ，则油耗可下降8 1 0 。对于1 6 2 0 t 级载货汽车而言， 每减小质量1 0 0 0 k g ，则油耗可降低6 7 。上述说法表明，汽车轻量化对节省燃油 的效果是巨大的。 汽车发展的趋势不仅要求乘用车轻量化，同样也要求商用车轻量化。日本青山公 彦、樱田彻最近专门对商用车的轻量化技术进行了系统研究，从载荷与评价、结构 与设计、材料与工艺三方面提出了轻量化措施p 9 1 。入们普遍认为，白车身占整车质 量的2 5 左右，减小车身质量可为汽车轻量化提供最大的潜力。 因此，国内外汽车厂家对汽车车身轻量化设计都非常重视，轻量化途径有许多 种，大概可以分为几类【1 0 1 1 1 ： 1 ) 优化结构设计，尽量减少零件数量。用有限元法建立车身模型，使车身各处 承载截面及厚度更加合理。1 9 9 5 年德国保时捷o p o r s c h e ) 公司的美国分公司完成了 u l s a b c 钢车身轻量化设计的项目，使轿车车身的总质量l 主1 2 7 1 k g 降至2 0 5 k g 。 2 ) 新型制造加工技术，妇专用焊接技术、专用机械紧固元件等。德国某公司采 用c 0 ：激光焊接l l m 长的焊缝，使其焊接处强度提高5 0 。国外某些汽车厂家采用 t a i l o r e db l a n k ( 泰勒法) 工艺制造车身零件，用这种工艺冲压的车门，各处厚度可以不 相等。 3 ) 采用新型材料，如高强度钢、铝及其合金、纤维增强塑料等。奥迪似u d i ) 公司1 9 9 4 年生产的全铝a 8 轿车，采用铝合金车身，使车身质量降低了4 0 。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 课题研究的目的与意义 随着我国经济的高速、平稳、持续发展，汽车工业日新月异、飞速发展“高速、 安全、环保、舒适”成为二十一世纪汽车的发展趋势。我国的汽车企业在这些方面 的技术还比较落后。目前，我国汽车企业面临着进入w t o 的严峻挑战。汽车企业现 阶段的设计水平与国外还有很大差距，国外企业已完全利用计算机c a d c a m ，c a e 等仿真、模拟分析技术，而我们则刚开始学习研究，因此提高我国汽车企业的自主 开发和采用新技术的设计能力已成为当务之急【7 2 棚】。 面对存在的差距，一方面应加强有关方面新的设计理论的研究；另一方面，汽 车企业应逐步采用现代化的设计手段和方法。 目前，在我们传统的车身设计中，大多数设计人员仍然只是根据经验来考虑车 身的强度问题，一般情况下是比较保守的，宁强勿弱的思想占主导，这样往往带来 很多问题，车身自重较大，钢材浪费大，制造成本高，使整车经济性下降，因此， 轻量化设计是车身设计中应该首先采用的技术手段。 轻量化设计是当今汽车设计中的主题之一，它可以提高车辆的动力性，降低成本， 减少能源消耗并相应降低污染1 1 2 l 。目前，国内外车身轻量化的研究方向是开发具有 较高强度的轻质高性能新材料及设计新的轻量化结构。采用高强度的轻质高性能新 材料涉及到成本、加工工艺、环保等方面的问题。对车身轻量化结构设计来说是国 内客车企业普遍没有考虑的，因为需要投入大量的人力、物力和财力，而且缺乏行 之有效的手段和经验，同时，它又是一把双刃剑，不仅对车辆强度和刚度将产生影响， 也对结构寿命有影响，这两方面需要协调处理【l ”d 。 我国大中型客车产品开发经历了修造、改装、仿制、技术引进以及自主开发等 阶段，整体自主开发能力低，只有少数几个厂家具备较强的自主丌发能力。部分大 中型客车企业通过与国外合资、合作，采取技术引进、c k d 组装等方法，提高了产 品技术含量，但与国际先进水平还存在较大的差距，我国大中型客车的可靠性、经 济性、动力性、安全性、排放以及噪声等指标仍有很大差距，如客车专用底盘的技 术水严大部分只达到了国外8 0 年代术水平，只有个别企业弓| 进产品的技术水平接近 华中科技大学硕士学位论文 国外先进水平。 目前国内客车普遍存在的问题是整车协调性较差，在设计中对问题往往采取局 部加强的方法，这使得车重越加越大【1 5 】。而对某些应该减少构件、减薄材料或改变 结构形式，函无明确依据。生产多不敢决定。这样延续下来，车重加大，而新的结 构形式也不容易产生。因此开展客车车身结构强度的计算工作，在满足结构强度和 刚度的前提下，合理地进行结构设计，以达到轻量化的目的、对车身优化设计具有 重要意义【1 6 1 。我国大中型客车的供求能力远远超过了市场需求，各大客车企业正在 进行战略调整，在不扩大企业生产能力的前提下，加快了企业的新产品开发，进一 步提高产品的性能和科技含量，这就决定了必须对现有的车型进行结构强度、刚度 分析计算和相应结构改进的分析研究工作，以便为新车型的研制开发提供借鉴和校 核方法【1 7 。19 1 。 本课题就是在上述背景下提出的，目的在于研究客车车身结构使之受力合理， 等强度及等寿命设计最终达到保证客车在性能和功能不受影响或有所提高的情况 下，实现客车轻量化、降低燃耗、减少排放。 东风汽车有限公司商用车研发中心客车部于2 0 0 4 年开发成功的某型号客车已 批量投产，车身强度和刚度已经完全通过试车场3 0 0 0 0 公里可靠性试验验证，但是， 整车重量却超标约4 0 0 k g ，车身重量也超标，因为车身设计采用的是经验和类比方 法，许多结构强度可能远大于基本强度要求，带来了整车经济性能的下降和车身成 本的过高，因此车身结构轻量化优化设计研究就显得尤为必要。 本文采用有限元分析方法，通过计算分析研究，探索车身结构对车身总成的强 度和刚度的影响，优化车身结构，将结果应用到车身结构设计中，使车身结构设计 有据可查、有理可依，达到精确的动态设计来替代经验静态设计，咀降低车身钢材 的浪费，减轻车身重量，降低成本，提高整车的燃油经济性，使车身设计达到安全、 环保。 本文的研究成果运用于生产后，必将大大地提高东风客车的设计水平和效率，使 汽车整车的经济性能大为提高和降低材料成本、减少能源消耗并相应降低污染，为 企业和社会带来巨大的经济效益。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 3 基于设计的轻量化 1 3 1 优化结构设计 国外设计轻结构的研究开发主要是如下两方面的工作：一是开发新的更适用的 设计方法以优化零件的造型设计；另一个是设计轻结构形状，力图按实际工况来优 化零件的形状设计车身和制造。 1 3 2c 柏c e c a b 一体化技术在汽车轻量化中的应用 在现代汽车工业中，c a d c a e c a m 一体化技术起着重要的作用，涵盖了汽车 设计和制造的各个环节，包括汽车的设计检验、整车实体造型、车身的三维设计、汽 车零部件的数控加工、整车的振动和疲劳分析、以计算机仿真技术代替实车测试和 破坏性碰撞试验等，成为汽车工业实现多品种、高质量、短周期、低成本的有力保证。 因而，该技术在汽车轻量化设计中具有良好的应用前景1 3 1 。 1 3 3 实体结构设计和布局 汽车轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件 的精简、整体化和轻质化。因而，在考虑轻量化时，要协调总成与整车、总成与总成之 间可能出现的各种矛盾。以车身轻量化设计为例，当选用轻量化铝合金材料制造车身 时，可使轿车车身质量减轻4 0 左右，同时能保证车身的节点有最佳的剐度，满足防撞 要求，提高碰撞安全性，减少浊耗。利用c a d 技术，可准确地实现车身实体结构设计和 布局设计，对各构件的形状、配置、板材厚度的变化进行分析，并可从数据库中提取由 系统直接生成的有关该车的相关数据进行工程分析和强度、刚度计算。对于采用轻 质材料的零部件，可利用c a e 技术作布局干涉分析和运动干涉分析，使用三维数据检 查复杂零部件是否相互干涉及零件的可维修性如何，使轻量化材料能满足车身设计的 各项要求1 1 4 - 1 8 i 。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 4 以仿真模拟代瞢实车试验 利用c a d c a e c a m 一体化技术，可实现整车的实体造型、车身的三维设计、 程控加工、整车振动和疲劳分析。也可利用超级计算仿真技术代替实车的测试及破 坏性碰撞试验，对汽车的正面、侧面、后部和顶部在高速冲撞情况下的变化进行分析。 例如，采用全铝材料进行车身轻量化设计时，可利用仿真破坏性碰撞试验来测试铝材 零件在碰撞中的变形情况及对冲击力的吸收情况，从而判断其在碰撞中的安全性【加1 。 1 3 5 噪声、振动分析 汽车运动零部件的轻量化，可减轻汽车的噪声和振动。利用噪声振动分析c a e 系统， 可对轻量化设计的汽车进行噪声和振动分析。以车身设计为例，在设计开始，就应把降低 噪声和振动列入轻量化的开发目标中，以合理的结构和选材，运用振动和噪声计算分析 手段，从系统、结构、激振、噪声及其传递路线、振动等方面对车身及其配套装置进行 综合分析和计算，以确定车身本体的振动特性，来进行车身的轻量化设计【8 1 3 1 。 1 3 6 拓扑优化设计 国外针对汽车底盘、发动机等零部件的拓扑优化分析和设计的研究应用都已经 比较成熟。国内目前应用较少。随着计算机硬件和分析软件的日趋成熟，采用拓扑 优化技术来设计车身零件已经成为可能，对于复杂的内部零件设计实际上更为有效。 拓扑优化和传统的结构优化有很大的区别，结构优化以特定的结构尺寸参数作 为优化变量，优化变量要在有限元软件中预先设定。对于复杂钣金件，提取适当的 参数并非易事，并且现有的有限元软件结构模块也不强，这就限制了结构优化的广 泛应用。对于薄板类的车身内部钣金件，拓扑优化通常以单元厚度作为设计变量， 以生成的“伪厚度”图作为设计依据，在后续的设计中将单元厚度较小的响应部分 结构弱化，厚度大的相应部位结构强化，从而实现结构的优化设计 2 0 2 1 l 。 通过拓扑优化分析，设计人员可以全面了解产品的结构和功能特征，可以有针 对性地对总体结构和具体结构进行设计。特别在产品设计初期，仅凭经验和想象进 行零部件的设计是不够的。只有在适当的约束条件下，充分利用拓扑优化技术进行 6 华中科技大学硕士学位论文 分析，并结合丰富的设计经验，才能设计出满足最佳技术条件和工艺条件的产品。 对于形状较规则的产品，可以结合结构优化技术对产品的局部结构进行优化。车身 内部复杂钣金件通常以蓝线、曲面为主，较难抽象出适当的结构参数，现有的计算 方法也无法完全满足结构优化的要求，故对其实掩参数话的结构优化目前仍很难实 现1 2 2 1 。 在产品设计中结合拓扑优化分析技术，在一定程度上改变了传统的设计理念， 给设计人员提供了更充分、更精确的设计依据，具有非常重要的意义。结合拓扑优 化分析的产品设计具有以下特点： 1 ) 避免内部复杂零件的设计盲目性，克服照抄其他产品带来的设计缺陷。 2 ) 保证最大的材料利用率，减轻制件质量。 3 ) 保证最优的模态、力和力矩特性，提高零件的总体性能。 4 ) 保证零件制造的最佳工艺性，减少不必要的复杂结构，从而降低模具和生产 成本。 1 3 7 用形状优化来实现轻量化 形状优化法能够达到既减小零件的质量又延长零件寿命的目的。这种方法采用 了一种建立在生物学增长规律基础上的数值计算方法，它的基础是模拟一种凭借经 验确定的生物学增长规律，用有限元法研究生物增长载体( 如骨骼、树木等) 的力 学特性。研究发现，生物力载体会避免应力集中，并始终试图增长为在一种标准载 衙作用下表现为均匀表面应力的形状。这就给设计师以启发，可借助于形状的变异 来降低峰值或是使应力分布均匀化。具体做法是向承受高负荷的部位贮存材料，而 将承受低负荷的部位去除材料。零件的形状将按照避免出现应力高峰并使应力分布 均匀来设计。这种结构设计方法已经用于汽车后轴差速器壳体、半轴等零件的设计 上。这种基于生物学增长规律的形状优化方法，可收到既能减小零件质量，又能避 免局部应力高峰的效果。 7 华中科技大学硕士学位论文 1 4 基于制造工艺的轻量化 1 4 1 新型制造加工技术 为满足汽车产品愈益激烈的竞争要求，当前广泛应用c a d i c a e i c a m 技术，提 高塑性加工所需的模具的设计和制造质量以及工件的成形质量，同时还发展了不少 新的成形技术。汽车大型覆盖件的数字化成形技术是一种用c a d 模型直接驱动，实现 设计与制造一体化的柔性快速无模成形方法。它采用快速原型制造技术的“分层制 造”思想，将复杂的三维形状分解成一系列二维层上的数据。并根据工件的几何形状信 息，用三轴数控设备控制一个成形工具头作三维曲线运动，逐层对板料进行塑性加工， 使板料逐步成形为所需的汽车覆盖件 2 0 - 2 锄。新型制造加工技术使设计形状更为复杂、 结构强度刚性更佳的零部件制造成为可能。 1 4 2 激光焊接 2 0 世纪9 0 年代中期，世晃汽车工业使用的激光加工系统( 切割、焊接、表面处 理等1 已经超过50 0 0 台套。其中，在激光焊接领域硕果累累。激光焊接工艺使采用 各种复合拼焊板生产轿车零件( 车身、车架等) 成为了可能。这些拼焊板由2 到3 块精 确”裁剪”的、物理一化学性能、表面状态、厚度各不相同的板材拼焊而成。然后在把 这种半成品冲压成车身零件。激光拼焊工艺改善了车身零部件的使用性能，降低了 汽车质量，提高了汽车结构可靠性及安全性。车身激光拼焊工艺具有下列优点：减 少了结构件质量及材料消耗，减少了零件数量，特别减少了垫板及其他一些加强元 件，提高了车身质量稳定性及结构可靠性，因为这种车身能轻松地使车身在静态负 荷、冲击负荷及变荷下保持强度均衡l 矧。 1 5 基于材料的轻量化 1 5 1 多材料轻量化结构”及“合适材料用于合适部位” 最近德国p a d e r b o m 大学o h a h n 等人提到“多材料轻量化结构”( l i g h t w e i g h t c o n s t r u c t i o nb ym u l t im a t e r i a l ) 及“合适的材料j j j 在合适的部位” 华中科技大学硕士学位论文 i n t h er i g h tp l a c e ) 两概念。他们认为，多材料结构设计代表了今后汽车车身结构的发 展趋势，见图1 。通过对多材料结构进行优化，既能改进汽车性能，义能显著减小质 量。当前材料的组合仍以高强度钢、铝、镁和塑料为主【2 42 5 i 。要实现多材料轻量化 结构设计，必须强调“合适的材料用在合适的部位”。 图1 l 车身的发展历史 1 5 2 材料技术在轻量化汽车中的作用 福特汽车公司负责研究工作的副总裁d r w i l l i a n f p o w e r s 在次固际材料学会 议上强调指出，2 1 世纪的汽车将发生巨大的变化，而材料技术是推动汽车技术进步 的关键，轻量化是今后汽车发展的关键。他认为，虽然通过优化目前所应用材料的 设计可以减小质量，但是大幅度地减小汽车质量，则要考虑汽车零件尽可能选用低 密度的材料。 p n g v ；, t 1 划中明确提出选用新材料( 包括高强度钢、铝、镁、钛合会、塑料及复 合材料等) 来实现减小汽车自身质量的目的【2 4 二，并把先进的轻质材料作为急需开 发的技术领域。 采用高强度钢并改进设计，制成的新结构轻型钢质愚架系统，其质量亦可减小 2 0 。高强度钢和低密度材料的减小质量及 h 对成本见表l 。 华中科技大学硕士学位论文 表1 1 注：8 包括材料成本年i i 制造成本。 铝、镁轻合会的优越性与竞争力迫使钢铁企业迅速发腱高强度材料，于是引发了 一场“金属材料之战”。钢铁业、铝业、镁业都制定出为汽车减小质量的计划。 德国大众九十年代末开发的路波t d i 车型就是采用新设计、新材料、新工艺的 综合成果【2 。为解决新材料的防腐蚀保护和连接，大众采用创新的冲孔铆接法、迭 边压接、激光钎焊等技术。 t d i 所有车身部件都是轻质会属制成的，包括前挡泥板、车门、发动机罩和尾门， 其中尾门的会属强层是铝质，内板是镁制成的。汽车的内部设各许多也是轻质会属 制成的，如，座椅的框架由钳制成，方向盘的内骨架是镁制成。乘客舱和发动机室 之间组合隔板是铝质的。支撑结构通常也是由高强度的薄板金属制成的。 路波t d i 的自重为8 3 0 k g ，包括4 1 7 k g ( 5 0 5 ) 的铡、1 3 6 k g 轻赝金属( 1 6 4 ，包括3 7 k g 的镁) 、1 1 6 k g 塑料( 1 4 0 ) 。在保证4 二身抗扭刚发、使用寿命和 安企性的前提下，车身的重量减轻了5 0 k g ，汽车的总重减牟 ! = 了1 5 4 k g 。由于汽车自 ，瞳大幅度减轻，使得百公里油耗降至2 9 9 刀，总能量消 e t r 3 是传统汽车的半。这 意味着氧化碳的排放量也将减少一半，碳氧化合物的刳| 放黾降到凹分之。，是典 i _ l 的环仪l u 轿车，也是世界上批每生产的最经济轿车之 华中科技大学硕士学位论文 1 6 车身结构设计国内外研究现状 经过三十多年的积累和发展，国外许多大汽车公司建立了高性能的r 牟身计算机辅 助工程系统，形成了完整的设计、分析方法与试验程序。如图2 为国外普遍采用的 午- 身结构设计系统和流程1 6 - 9 切。2 9 l 。 身 维孝簦譬模卜一， 有限元网格划分 一布 同 j l 设 一 结 审 p 卜 碰结 冉 身 计 静 黧 撞 流 构 设 _ 结 特 态 安 体 优 i t 构 全分化 分 析分 数 车身l 卜囊 征 析 析析 模 一- j , , - 曲线 分 析 l 件 ，_ 下 车身截面l 设 特征库卜。 计 i，斗rr i 遥 分析结果评价 l 图1 - 2 车身结构设计系统集成框图 国内对客车车身进行的分析一般仅限于强度和刚度的静态分析，在动态分析 起步较晚。这一方面是由于受到所具备的计算机软、硬件条件的制约，另一方面车 身建模过程涉及因素多而且结构很复杂，还有待于作近一步的研究和探索。前段时 期虽有一些在大客车、轿车和骨架蒙皮式半承载式轻型客车车身结构分析方面的应 用，但与国外的车身结构分析相比明显存在着许多不足。 从结构力学来看，人客车车身是由空问骨架、抗弯薄板、壳体和应力蒙皮等构 f t - t h 成的空间高次超静定结构。由丁结构需耍，各杆件结构形状各异，而且卡1 件之 问的连接也是各种各样的。车身骨架的受力情况也比较复杂，特别是我旧道路f i 驶 条件羞，通常为b 级或c 绒路而。在高f l e d - ；半、崎岖起伏的道路上行驶叫擎个牟4 1 i 身骨架会反复受到扭转，产生成为车架弧度主要问题的反复约束扭转、i 力。所以 华中科技大学硕士学位论文 结构分析的难度较大，许多汽车j 家进行没计仞期，冈为没有实测数据，战只能依 赖于经验和类比设计，缺乏建立在力学特性( 强度、刚度) 分析基础上的科学依据，从 而使设计偏向于保守，承载构件得不到充分使用，汽车自身质量过大成本过高。 早在8 0 年代，美国通用汽车公司研究试验室主管副主任p a u le c h e n e n 先生就曾极 有预见性地对客车车身结构必须满足的一系列约束和应达到的目标作了详细的阐 述，他所提到的约束和目标实际上构成了对车身结构设计全方位要求。b i j ：n 度、强 度、耐久性、隔振降噪性能、安全性、内外模型、制造性、环保及成本要求等。国 外在设计车身时，一般将静态扭转刚度、静态弯曲刚度、低阶固有频率和车身重量 作为汽车车身设计目标。除了用有限元法分析车身的静强度、静刚度、模态和动态 响应外，还可利用有限元软件进行车身形状优化( 拓扑优化1 和结构参数优化。 客车车身骨架、发动机、蒙皮、内外装饰占客车总质量比例大，减重潜力大。 车身直接决定整车的安全性、舒适性、美观以及由车身外形空气动力学性能决定的 操纵稳定性、动力性、经济性。客车减重以车身骨架为主要对象，通过结构优化设 计，车身大约能减重7 ，国内客车车身减重将远远超过这个比例，代表国内客车产 晶领先技术水平的厦门金龙联合汽车工业有限公司与美国a n s y s 公i j 合作对其生 产的某系列豪华快速客车车身进行结构静动力分析，有限元计算结果显示，客车车 身弯曲刚度和扭转刚度大、开i ：q 变形小、强度储备大，轻量化潜力很大，通过机械 结构优化设计后车身重量下降了2 5 0 公斤。在汽车车身、车架等结构设计中，为r 满足各项性能要求，先进的轻量化设汁理念是十分蓬要的，另一方面，随着市场竞 争的激烈，迫切需要缩短产品开发时间基于有限元法的结构优化与灵敏度分析是保 证分析对设计指导作用正确性的一种檄为有效的方法，它可以针对结构的任意性能 参数：如，总质量、刚度、强度或一阶固有频率等进行优化设计及分析1 2 。冈此能 够充分挖掘设计潜力，比较评价设计方案并在各种设计方案中寻优，从而得到呵靠 的具备各项良好性能的最优设计。 一个典型的优化循环过程及数据交换如蚓3 所j ，该优化过程可以实现结构有限 几分析模掣、优化模州及优化算法之f t j j 的连接。基于何限7 i 模型的结构灵敏度分析 胶优化力法，可以提高绐构优化结果的h l ：确陡与高效r l 。仡殴计州可根拂h j i 孙句 华中科技大学硕士学位论文 性能的具体要求确定目标函数与性能约束，通过灵敏度分析选取合适的设计变量 经优化得到满意的结构。 图1 3 优化循环过程及数据交换 2 0 世纪8 0 年代末期，i 亘# 1 - 丌始了结构灵敏度分析在汽车车身设计中的应用研究， 国内尚少见相关研究资料，利用模型对车身主要低阶固有模态进行了结构灵敏度分 析，分析结果不仅可以直接应用于设计中提高车身结构的低阶固有频率，而且对车 身结构优化设计与分析工作也有重要的参考价值m3 “。 1 7 本文研究内容 通过车身有限元分析以及优化计算，对e q 6 1 1 1 l h 客车车身进行轻量化优化， l ：保证满足结构强度、刚度以及振动稳定性、噪声、模态等性能情况卜，实现车身 结构重量的轻量化设计。 4 二身骨架减重的主要途径是利用c a e 技术进行结构优化设计，在确保性能和功 能的i 0 提下，消除无用材料，寻求零部件壁厚的减薄，数琏的精简和结构的整体化、 弁岬化。本文将以牟身骨架为t 要对象，针x j e q 6 1 1 1 l h l 挥乍半承载式寺i 身进行仃限 几分机、灵敏度分析及结构优化设训等方m 的研究， ：匹内容如卜： 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论部分主要简明阐述轻量化的研究背景、月的、意义和国内外的研究 概况、内容方法以及有限元的基础理论。 第二章是建立车身结构有限元模型。本文以e q 6 1 1 1 l h 客车为例建屯了车身结构 有限元计算模型。 第三章车身静力特性分析。强度和刚度是客车车身结构基本要求，通过对车身 强度和刚度分析可以查明车身的应力分布状况和变形状况，从而揭示车身强度和刚 度的薄弱环节，为结构优化设计提供参考。本文主要分析了以f p q 种工况下车身的 应力和变形状况：静态弯曲工况( 匀速直线运动) 、静态扭转工况( 通过扭| 甘l 路面) 、紧急 制动工况与紧急转弯工况。 第四章车身动力特性分析。设计车身骨架时，应尽量使其模态频率错开激振频 率，以避免共振，可见车身结构的模态参数是整车的一个重要性能参数，为此对上 述静态有限元计算模型，解除约束和载荷，分析其前三十阶模态及振型。 第五章车身模态修改灵敏度分析。客车作为一种大型的复杂结构系统，影晌模 忐参数的设计变量很多，通过进行灵敏度分析寻求最佳变量，为优化设计变量的选 取提供参考依据，这样可以避免结构修改中的盲目性，剥于提高设计质量、效率和 降低设计成本，具有卜分重要意义。 第六章车身结构优化设计。结构优化设计可以为车身承载结构的轻量化提供一 种科学的设计方法。通过编写优化分析文件，以大型优化软件为 作平台，对车身 粱构件截面尺j j 。进行了优化，并探索了一种适合半承载式车身结构的优化设计方案。 优化过程中目标函数是车身自重，设计变量为顶盖蒙皮及车身骨架各梁的截面尺寸， 约束条件为车身低阶固有模态。优化完成后，对车身度和强度等性能指标进行验 鳟。 第七章全文总结与展望 华中科技大学硕士学位论文 2 建立车身结构有限元模型 2 1 车身几何模型建立 使用h y p e r m e s h 软件建立车身几何模型比较困难，本文使用u g 软件进行车身的 j l , i 建模，然后导入h y p e r m e s h 有限元软件转成为有限元模型。 2 2 车身几何模型简化 车身结构有限元分析的第一步是车身结构的建模，即将工程实际模型离散化为 柯限元计算模型。车身建模的关键是选择合适的有限单元来模拟车身结构，对车 身结构上具有不同力学特性部位用各自相对应的单元进行模拟，通过对车身结构的 不断模拟逼近仿真，最终获得车身结构的力学特性。 2 2 1 车身模型简化 进行有限元分析，首先要建立个准确的有限) 亡模跫。所谓准确，就是有限元模 型和实际模型帽符合，越接近实际情况，则准确度越高，也越能反映车身结构在实 际运行中的力学特性。但是需要注意的是，建模不能盲同一味求确，对细小结构过 多的描述会浪费计算机资源，降低有限元计算的效率【2 4 ”1 。 在建模时对模型进行了适当的简化，这样不仅可以缩短建模时间，而儿可以突 出f 要问题。在建模时采用了以f 手段进行简化： 1 ) 略去蒙皮和功能件以及非承载件。有些结构仅为满足结构或使用e 的要求而 没胃，而非为达到强度要求而设置，这些构件对车身的内力分布和变形影响都较小， 洲此建模时可以忽略掉。 2 ) 埘r 项盖的横梁、前吲的横粱等弯曲十t 件，简化为荇于直梁柬考虑。 3 ) 连接矗i i 位的很小尉弧过渡碗化为“角过渡，从而提高计算速度。 4 ) 埘r 结构上的孔、台阶、| i j j 槽、翻边等，如底盘 ：的蝶孔，在裁向性状特一雕 华中科技大学硕士学位论文 等效的基础上应尽量简化；对截面特性影响不大的特征p 以忽略。 如图2 - 1 所示为经过简化后的整车车身几何模型图。 2 3 车身有限元建模 斟2 - 1 车身骨架儿何模犁图 2 3 1 建立有限元模型遵循的原则 有限元分析的仿真精度取决于有限元模型，因此模型必须如实反映客车车身结 构的力学特性。有限元建模一般应该遵循下列原则： 1 ) 在保证精度的条件下，控制单元数量。 2 ) 合理选择单元类型。根据结构的几何形状特点，综合载荷、约束等因素束确 定币i 类型。 3 ) 焊，- _ 模拟。客车车身骨架各构件均足通过焊接而成，因此仃效地模拟焊j j j 也 匙 5 6 醴元建模的 人要素。 4 ) 支承模拟。小恰当的支承条件州能会旨敛j ，析失败，在7 , 0 6 1 1 1 l h 4 ：身纠舛句 m 。i ，天健是悬挂支承的处王甲，必须保证1 j 身 射句所承受的支承反j j 实向：条什搠 华中科技大学硕士学位论文 刊。 2 3 2 建模中关键问题分析 建模巾应注意一些关键的问题： 1 ) 单元形式对分析结果的影响 客车车身部分的骨架由不同截面形式的型钢组成，若采用梁单元模拟，其截面 特性定义较容易，前处理和计算量都较小。但梁单元模拟复杂截面和焊点有一定难 度，并且很难考虑蒙皮的影响，所以其较适合初期选型设计。为克服这方面的缺点， 可以采用板梁混合模型甚至全板模型，但这样建模工作量较大，一般用于详细设计 或结构分析等脚33 1 。 从目前的分析结果来看，梁模型和板壳模型分析得到的模态振型基本一致，对 应振型的固有频率除个别相差较大外，误差均在可以接受范围内。采用梁单元模拟， 般计算所得的结构固有频率相对较高，这是因为梁单元的刚度较人：另外，梁单 元在建模中的简化也是原因之一。在建模过程中，一些连接采用节点重合处理这 需将梁单元延长，从而导致局部刚度变大，整体表现刚度也因此变大。实践表明， 基于板壳单元的模态频率分析结果偏小，梁单元结果更接近试验结果。 2 ) 焊点处的模拟 客车车身中的大部分零件是通过焊接连接在一起，在不同的部位焊接的间距和 焊接方式也不同。对零件之间的点焊连接采用不同的建模方法将影响整体午身的 刚度和刚度分布，因此焊点建模对于车身建模有着非常重要的意义。对焊点的模拟， 人致可以采用以下一些方法： 1 ) 采用“n o d et on o d e ”，即节点相连的方法。把相i 司位置的两个节点融合为一 个节点这两个节点具有相同的自由度、相同的( 角) 位移、( 角) 速度和( 角) 加 速度。这是一种简洁的处理方法，也是普遍采用的方法。采用这种方法，可以减少 模型的自由度，降低建模的复杂程度h 省计算时间，快速地刘祭体模型作定量的 分忻。似竹点桐连会使计算结果有定的误筹，对于连接焊点| j 近的域，存存较 人跌笼。要得剑焊接区域准确的结果，需要刈焊点作进步分机刈- 离焊点【x 域 华中科技大学硕士