轿车车身结构振动特性研究与设计优化.doc

武汉理工大学硕士学位论文武汉理工大学硕士学位论文轿车车身结构振动特性研究与设计优化姓名：张胜俊申请学位级别：硕士专业：车辆工程导教师：乐玉汉20100501AbstractIn modem society vehicle has become a very important transport, and is closely related to peoples basic necessities. Chinas passenger car sales in 2009 reached more than 1,000 units, up to 59% growth rate for Chinas auto industry setting a new milestone. Benefited from the government having introduced various fiscal incentives, the overall automotive market in China last year sold more than 1,350 units, up in the world, with 44% record high growth leader in the global automotive industry.As an essential means of transport to society, the automotive industry has been developing significantly. To a large extent, a countrys automobile industry level reflects the level of its technological development. Although Chinas automobile production and sales in 2009 ranked first in the world in one fell swoop, but we should know the huge gap in the automotive CAD / CAE technology between the domestic car and foreign countries. Car body is one of the three assembly of the car, which not only has beautiful form and appearance, enough space and smooth shape curve, but also superior performance is more important. Currently, using finite element method to accurately predict the various performances of car body during the 3D digital-analog design is an important hot automotive technology research content. During the design stage modal body structure, accuraty analyse of strength and rigidity, etc., and solve the problem in the digital-analog stage, thereby greatly reduce vehicle development time and the cost.This paper briefly described the development and application of vehicle CAE technology in system, the basic concepts of the inherent characteristics of the body structure, basic theory of finite element method and application in the body structure, modal analysis and optimization design theory. And these provide a theoretical basis for the entire paper. Combination of graduate students take part in the development of a 0.8L two micro car, white body structure and the sub-assembly of the structure and fiinction of a detailed introduction.Use of the 3D digital-analog of Mini car body structure, firstly simplify the structure, including how to deal with a reasonable structure including flange, holes and strengthen the tendons and other local structure. Then send the simplified model into ANSYS software, establish the finite element model of the vehicle body structure, select the appropriate unit type and size of the model grid meshing.武汉理工大学硕士学位论文In order to obtain the natural vibration characteristics of body structure, do its modal analysis, use the data and find the problems to provide preparation to optimize the design stage. In structural optimization, take the thickness of some of the more sensitive pieces of sheet metal of the first order bending, twisting sensitivity as design variables, to improve the low frequency modes and to reduce the weight of the white body as the goals of optimizing analysis, the ultimate goal is to spend the least cost and shortest time to design the most reasonable body structure. Key words: body structure;vibration characteristics;modal analysis;design optimization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巳在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。签名：日期：W议丄3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，可以釆用影印、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）：导师（签名）：日期 ，III武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1.1课题硏究背景现代社会中，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。2009年中国乘用车的销量达到了一千多万辆，增速高达59%，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1350多万辆，达到世界第一，以44%的高速增长创纪录的领 跑全球汽车产业。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 GDP，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JT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NVH特性，NVH是Noise(噪声)，Vibration(振动） 和Harshness(声振粗糖度)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曰 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CAD/CAE技术对汽车新产品进行开发，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幵发阶段准确的预测 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(CAE)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 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CAE技术的发展和应用20世纪70年代首次应用NASTRAN软件是CAE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NVH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 以应用于产品开发过程中汽车的性能、结构分折，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CAE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 CAE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 Sung和Nesfoke,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稱合作用。另外一个代表人物是Lnagley，他采用边界 元方法预测了车身结构内部振动声福射。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。图1-1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，ANSYS有限元分析软件受到 国内外众多用户的青睐。用比利时LMS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福射噪声，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1977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前比较的减声效 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 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,并且建立了整车锅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 了结构一声场稱合分析与降噪处理，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，一般运用有两种方法：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。幵发程序 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307轿车设计出两厢307轿车。二是全新结构设计。在 充分调研市场后，确定所要幵发的车型，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。在现代轿车的设计幵发过程中，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、NVH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CAD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。图1-2现代车身设计流程图经历了汽车CAE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CAE技术，并取得了积极的成果。CAE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。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 发动机福射噪声、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辖射噪 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60dB(A);当外界噪声达到以上65dB(A)时，谈话的声音 需要提高才能实现交流；而噪声超过90dB(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害4】。从20世纪60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 1985年1月1 R起公共汽车内部噪声不得超过80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福 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。振动振动扰动轮胎路面C9传动系振动1r车身振动排气系表气面流辖扰射动r空气波动)Q！: 图1-3车内噪声的主要来源和传播途径图 我国最幵始于1979年颁布了GB149579机动车辆允许噪声以及相应的 GB1496-79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对环保的日益重视，GB1495的噪声限值显得格外落后，而且GB1496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ECER52标准都不同，与美国机动 车工程师学会（SAE)的测试方法也有出入。2002年我国颁布了GB14952002 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2002年10月1日到2004年12月31日，此阶段生产的新车要达到欧洲标准ECERsl 一00中的限值要求，第二阶段针对2005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ECERsl01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。1J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 限元分析对产品幵发的重要性不言而喻。本文结合一款0.8L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。武汉理工大学硕士学位论文第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。白车身一般是指已经煙接好但尚未喷 漆的白皮车身（Body in white),此外主要指车身结构件和覆盖件的燥接总成， 并包括前、后钣金件和车门，但不含车身附屈设备及装饰件等17】。轿车车身是-个刚硬的壳体，来应对外界的各种冲击。同样也是一个按照柔 性内饰的空间船壁结构，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、视舒、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煙接在一起即成为车身煤接总 成。前部?fi构地板站构 -1白车身煤接总成白车身各分总成介绍轿车车身是由大量的冲压银金件煤接而成，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：起着支承车身樓孟件的作用。车身结构件是轿车车身总成 的重要组成部分，主要为梁和支柱.形成了轿车车身的承载梁框架结构，它是保 证车身承载能力的前提，对保证车身车身附件，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 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 构强度和刚度等，(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，提 髙各构件的连接强度。本文以一款0.8L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、前围扳、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、右侧围（包括车门上 横梁、门滥和前、后立柱等）、地板、顶盖和前围板、前风窗框、行李轮围板、 后窗框等构成的盒形结构；其后端则由与后纵梁相挥接的行李船地板及后轮罩板 所构成。2.1.1车身地扳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。加上地板结构本身的防振、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、地板梁、支架、地板通道、门揽、连接板、 座椅支架等构件组成。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船，为发动机及附件提供一个护罩； 防止前轮里泥；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 和强度除发动机軍和左、右前翼子板等外覆斋件可拆卸，一般将其他车前钣金 件与车身主体傳接在一起，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、发动机罩前支揮板、前轮罩武汉理工大学硕士学位论文2.13车身前围结构轿车车身前围是分隔车身前部与乘坐室的结构总成。它对改善座船舒适环 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來讲，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；安装前风窗玻璃及风窗洗潘器；安装转向机，支承转向管柱；设置外部空气吸入口和通风道，参加车内空气循环；安装制动、离合踏板和油门踏板装置；板、挡海板、悬架支座、前纵梁、轮罩等构件辉接组成。车身前部结构(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车身前围结构（正面和反面）2.1.4车身惻围结构车身侧围结枸是组成座餘的重要构造总成之一。其设计要点有-车身侧围的设计要符合整车造型的要求，各梁、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。保证车门四周的密封性，保证密封条、车门校链、陌位器和门锁的正确安 装以及合理布置。充分考處各构件的材料特性、冲压成型、挥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，不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绞链、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，造成车门幵闭困难。(5现代轿车设计为获得更大的视野，多使侧围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。夢 1M车身側围部分主要由侧围梁框架、车门、后異子板和后轮罩等构件组成。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金件，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、后防撞横梁等组成，形成车身后部抗扭框架车身后部结构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，并从两边煤接在顶盖上，从而增加其刚 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煌接 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，并且要安装后背门校链，需要增加加强板保证足够的 支撑刚度和强度。从扩大视野和提高上下车方便性來考虑，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。-8车身顶蓝结构2.1,7轿车车门结构轿车车门时车身侧围的重要组成部分。其设计要求有： 车门JF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幵 要合理确定车门开口位置，设计车门的开口大小和形状，并且车门要能停 留在最大幵度的位置上。车门开启过程中不应与车身的其他部位发生干涉。门体应具有足够的刚度和强度，减小车门部分接动，提高车辆側向碰撞的 安全性，防止车门下沉。良好的密封性能，有较大的透光面，满足侧向视野要求；良好的工艺性。 轿车车门一般由门体、车门附件和内饰盖板三部分组成。图2-9轿车车门结构（JF面和反面）13武汉理工大学硕士学位论文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，提髙了车型的竞争 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，缩短车身结构的幵发周期，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睦 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NVH性能分析、以及轿车的静态和动态特性分析等。Id武汉理工大学硕士学位论文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：:M卜j+C卜 j+x = F(2-1)式中，M为结构的广义质量矩阵，为n*n阶；C为结构的广义阻尼矩阵, 为n*n阶；K为结构的广义刚度矩阵，为n*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n个固有频率的振型矢量为：Z15 Z22Z, (2-2) 则由阵型矢量所构成的主阵型矩阵为:Z,z.Z, z. Z=Z Z现利用主阵型的正交性，可知:-diagM(2-4)M.zUmz0(2-3)A. z 00K. -diagK;C2-5)zr剛= K、根据（2-4)、（2-5)得到的c/fag丨M,.l，杰ag丨都是对角矩阵。可以推算出结 构的第/阶固有频率为： (2-6)Wm.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 振型夕间存在阻质之间的親合，在分析阻尼较小的结构时，常可忽略其親合作用。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：C,IS C -diagc(2-7)zrcz C. 则可利用坐标变换可使得方程解稱，如下式IWW将上式第一个式中，再前乘以zf，有diag M. 1 + diag C. 1 + diag Kq = P(2-10)式中，称q为系统的主坐标。而变换式称为主坐标变换。P=zflF.我们可以看出，方程已取得解稱形式。我们在进行各种动力响应计算时，需要具备的参数有结构的广义质量、广义 刚度和广义阻尼；而结构的固有振型和相关的固有频率仅和结构本身的振动特性 有关，称之为结构的固有振动特性。它们既可通过实验数据得到，也可以通过计 算分析来确定。对重要结构和对数据要求比较严时，一般以试验数据为设计依据， 但计算分析由于其独特的优点将会得到更加广泛的应用。2.4本章小结(2-8)作为设计人员，在整体和细节上必须对车身总成及其结构有详细的了解。本 章结合实际项目，以一款0.8L两门微型轿车为例，介绍了车身总成及地板、顶 盖前围等各个分总成的结构。同时，介绍了现代车身结构设计的特点。最后，简 单介绍了车身结构固有振动特性的基本理论，为后面的模态分析作理论准备。武汉理工大学硕士学位论文有限元分析方法的一般流程第3章车身有限元模型的建立建立车身有限元模型，就要根据问题的具体情况，选择相应的有限元单元， 对车身进行数学离散化，赋予模型材料属性，约束边界条件，进行模型的调试， 最后得到一个相对精度较高的车身结构有限元模型的过程。有限元模型的建立是 采用有限元分析方法求解问题的基础，是整个求解过程中工作量最大的步骤。有 限元模型合理的建立对问题的确定合适的求解规模和计算结果有很大的影响。图 -1为有限元分析方法的一般流程。零件三维建模来 G CAD网格生成显不、细化修改输入材料属性T给定载荷前置处理否17武汉理工大学硕士学位论文3.1有限元法的基本理论3.1.1有限元法的基本概念所谓有限元法就是关于连续体的一种离散化的数值计算方法，在应用中我们 将连续体划分为有限多个单元。这些单元是由具有一定自由度的节点相互连接而 成。实际应用中的划分依据计算机容量和精度要求。这样连续体的无限个自由度 的问题就转化为离散结构的有限多个自由度的问题，也就是在力学模型上近似的 数值计算方法。这就是有限元法的基本原理8。有限元法的主要优点是物理概念清晰，将力学问题简化为一系列的代数方程 组求解，计算量大大减少，许多复杂的工况和边界条件都可以用计算机予以解决。 如今，有限元模型进一步得到发展，建模方法增多，模型规模增大，甚至可以达 到几万甚至几十万个混合单元，分析对象己由静态分析扩展到动态响应、模态分 析、振动噪声、碰撞和优化设计等更广泛的方面，并取得了不错的经济效益。如 通用在普通有限元程序的基础上进行了二次开发，方便进行在发动机和道路激励 响应下的汽车结构的分析和优化，极大的简化了设计过程。我们有信心的认为，随着计算机技术特别是硬件技术的发展，有限单元法作 为一个具有坚固理论基础和广泛应用效益的数值分析工具，其本身的建模方法和 分析理念得到丰富，以后必将发挥更大的作用。3.1.2有限元法的基本步骤图3-1为有限元分析方法的一般流程。用有限元法求解问题时，计算步骤比 较繁多，概括起来可以分为以下六个步骤- 连续体离散化为了将连续体转化为力学模型，需要将其划分问有限个单元体，在定义每个 单元的自由度和受力情况，这样组成单元的集合体。 选择位移函数选择节点位移作为基本未知量时即为位移法。假定位移是某一种简单函数， 这样，表示单元的位移、应力和应变时，这种函数称为模式或位移函数。 根据所选择的位移函数，单元内任一点位移的关系式为：f=NSe(3-1)其中，丨/表示单元内任一点的位移矩阵；liVj称为形函数矩阵，它的元素是位置坐标函数；e为单元的结点位移列阵。 分析单元的力学特性有限元法的最关键一步是找出单元结点力和结点位移的关系式。对于结构分析来说，我们要了解下面三个基本关系式：T其中，本构关系（单元内任一点的应变与应力的关系)：(3-2)为弹性矩阵几何关系（单元内任一点的位移与应变的关系):(3-3)=剛式中，L表示微分算子。插值关系（也就是单元内任一点的位移与结点位移的关系)：=叫1(3-4)A为插值形函数，它与所取的位移向量有关。 计算等效结点力我们知道实际上，力是从单元的公共边界传递到另一个单元的，但连续体经 过离散化之后，力是通过结点从一个单元传递到另一个单元的。因此，所有作用 在单元上的力都要等效位移到节点上去。位移的方法依据的原理是虚功等效原 理，即作用在单元上的力与等效节点力在任何虚位移上的虚功都相等的原则进行 的。(5) 集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的有限元方程。 集合所有单元的刚度方程，形成整体结构的平衡方程，即为：P = is:(3-5)式中，P为载荷向量；ii：】表示整体结构的刚度矩阵；丨称为结点位移列 阵。该过程有两方面的内容：整体刚度矩阵和总的载荷列阵。(6) 求解未知节点位移和计算单元应力根据位移模式，由式（3-3)可计算出应变为：(V7)Bj(Se(3-6)式中，丨力为应力向量；5表示应变矩阵；e为单元结点位移向量, 相应的应力为：-ct = DS=DBS23武汉理工大学硕士学位论文式中，約为应力向量；Z)表示弹性矩阵9】。3.2有限元法在车身改型设计中的应用车身结改型设计大多是通过已有车型在市场上的表现，反馈得到的信息，来 改进某些结构件的形式和布置，或者改变局部外观件来完成的。与一般的全新车 身的设计方法不同的是，改型设计只在原有结构的基础上进行局部的改进，实现 更新换代，即能延续老产品的优点和口碑，又能快速高效的改进老产品的缺点， 改进后的车型性能不能变化太大，如车身的振动频率不能有太大的变化，改型后 车身的重量应更轻，材料的利用率更高。车身改型设计的一个特点是可以充分利用计算机来处理数据，根据原车的 3D数模可以在计算机上建立一个详细的CAD模型。由于改型前的车型是实际生 产出来的车型，也做过大量的实车实验，在改型设计中，可以充分利用实验数据 分析发现其缺陷和不足，进行针对性的改进设计。在有限元分析时，分析对比新 旧车型的性能，达到改型设计的目的。改型设计能有效节省时间，降低成本。当 然，改型后的车身结构要有足够的强度，以保证其疲劳寿命，不能一味追求造型 美而牺牲车身结构刚度和强度，同时车身结构应有合理的动态特性以控制振动噪 声、提高整车舒适性。有限元方法的应用即能够有效的满足上述要求。进行有限元分析的的前提是有一个完整的车身结构有限元模型，建立车身结 构的有限元模型有很多具体的要求，比如选择合适的有限元单元和单元网格大 小，给这个模型赋予正确的材料属性，约束边界条件，进行模型的检查和几何清 理等等。我们需要的是一个计算量不大但精度足够的有限元模型。车身改型设中 有限元分析一般有以下几个步骤： 建立车身有限元模型主要包括几何建模并清理、网格划分、载荷约束、材料属性的定义等。车身 的结构模型一般可分为车身结构的简化模型和详细模型。它们的差异主要表现在 计算精度、计算速度和对计算机硬件的要求上。我们根据实际需要而选择。于所 研究的问题不同，建立的模型也会不同。例如，在对车身结构的刚度、强度进行 分析时，对精度的要求很高，需要建立车身结构的详细模型。当进行车身模态计 算，运用详细模型需要大量的时间，而简化模型得出的结果能够达到精度要求， 且节省大量的时间，此时可采用车身结构简化模型。 车身有限元分析模型经过有限元分析后可以得到一些结果文件，这些文件都是车身后处理的 数据某础和依据。车身有限元分析后处理后处理主要是将有限元分析的结果文件显示为等值线图、云图等直观的表达 方式，并且进行强度、刚度、振动频率等性能分析，比如，研究对比改型前后振 动特性来降低车身的振动噪声等。3.3车身设计及结构分析相关软件的介绍3.3.1三维设计软件CATIA V5CATIAV5是汽车、摩托车、以及航空航天领域中的应用最广泛的主流CAD 软件，如国内