第五章应用多种材料的轻质车身设计

1、第五章应用多种材料的轻质车身设计5.1 轿车车身结构 5.1 轿车车身结构5.25.35.4白车身由覆盖件、梁或支柱以及结构加强件组成车身前部结构设计结构是敞开的发动机舱，承受比较大的集中力，主要由前纵梁支撑，并尽可能吸收纵向碰撞能量。5.1.1 车身构造5.1 轿车车身结构 5.1 轿车车身结构5.25.35.4 车身中部结构设计结构是乘坐舱，结构强度要求很高，主要起到承受侧面撞击力，保护乘员生存空间的作用。是行李箱舱，主要承受燃油箱、备胎和行李的重力。后纵梁承担和吸收纵向撞击载荷。轻质车身结构设计的新观点： “将合适的材料应用于合适的部位将合适的材料应用于合适的部位” 。 5.1 轿车车身

2、结构 5.1 轿车车身结构5.25.35.45.1.2 车身结构特点优点：缺点：提高车身寿命；提高舒适性；提高安全性；便于协作生产。不利于轻量化；不利于上下车；制造、装配技术需提高。有独立车架的非承载式车身结构适用于大、中型，批量小的车型适用于中、小型批量大的车型5.1 轿车车身结构 5.1 轿车车身结构5.25.35.4无独立车架的承载式车身结构优点：缺点：减重量、降成本；有效空间增大；上下车方便；装配问题减少。影响舒适性；影响车身强度；改变车身制造变形车困难。5.1 轿车车身结构 5.1 轿车车身结构5.25.35.4一定程度上改善乘坐舒适性带副车架的半承载式车身结构优点：优点：隔振、隔音

3、、轻量、底板较低、空间利用率高。5.1 轿车车身结构 5.1 轿车车身结构5.25.35.4 车身结构的革新所带来的好处不言而喻，但整体式车身结构给汽车设计与制造带来的却是整个设计理念、制造方法和消费方式的巨大变革。 。 模块化车身结构 5.2 车身结构设计要求5.15.2车身结构设计要求5.35.45.2.1 结构强度与刚度要求车身结构刚度和动力学性能设计的过程 分析具有竞争力的同类车型的性能指标 对新设计提出具体的目标要求 实施车身拓扑构造技术，选择结构方案 建立CAE模型进行结构强度分析计算结构优化 ，得到最佳方案试验验证 产品设计的全面评估 不断完善 车身在各种行驶条件下承受各种载荷时

4、，要求既不许变形也不许损坏，对可变动载荷也不能产生裂纹等疲劳破坏。 结构强度与刚度设计应满足的条件 没有物理学上或理论力学上的“平面性”承载结构 由骨架构件连接成的承载及传力结构 承载结构任何地方受力，应通过承载结构“网络”，迅速传递至整个车身 尽量避免存在不会受力的非承载构件 车身承载结构必须有足够的刚性 .所有机组必须尽量悬置于车身承载结构的几何节点处 不允许车身薄板有较大的振幅 5.2 车身结构设计要求5.15.2车身结构设计要求5.35.45.2 车身结构设计要求5.15.2车身结构设计要求5.35.45.2.2 振动与噪声要求噪声的产生（1）轿车驱动系统噪声（2）轮胎与路面接触噪声（

5、3）环绕车身的气流噪声噪声的传递（1）空气传声（2）固体传声降噪的措施（1）连接处隔绝（2）有目的的增加车身刚度（3）适当部位设置隔音件（4）多级密封 汽车上的振动主要包括由路面不平度引起的车身垂直方向的振动、发动机不平衡往复惯性力产生的车身振动、转向轮的摆振和传动系的扭转振动等。振动特性与车身刚度密切相关。高刚度车身不仅有利于悬架的支持，使汽车系统正常工作，而且有利于改进振动特性，降低噪声。5.2 车身结构设计要求5.15.2车身结构设计要求5.35.45.2.3 耐久性要求疲劳的产生汽车在行驶过程中，由于路面不平整及路面使用过程中造成的缺陷等因素的影响，车身结构会受到交变载荷的作用疲劳破坏

6、在交变载荷重复作用下，应力值没有超过材料的强度极限，材料或结构所发生的破坏现象 影响疲劳强度的因素材料本身的性质、零件几何形状、表面质量、工作条件、表面处理及参与内应力等 材料或构件疲劳性能用疲劳强度来衡量，它指材料或构件在交变载荷作用下的强度，采用在一定循环特征下，材料或构件可以承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力和疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数作为疲劳极限评价指标。疲劳寿命取决于材料的力学性能和所施加的应力水平。5.2 车身结构设计要求5.15.2车身结构设计要求5.35.45.2.4 安全性要求考虑乘客最优化的碰撞保护的安全性设计基本要求 有安全带等保护装置 高强度的乘坐

7、舱 车身前后部有大的碰撞变形区域 地板及车门具有碰撞承载结构 车身前部有高强度的横向连接件 .车门有极坚固的防撞梁 乘座舱内构件表面光滑及柔软 顶盖有加强结构 纵向结构从前至后变形阻力逐大 碰撞后起火燃烧的可能性最小 承受速度为50km/h的碰撞，乘员无伤害 雨刮器应几乎完全被发动机罩遮盖 白车身外的零件修理价格合宜 车身刚度合理分级 5.2 车身结构设计要求5.15.2车身结构设计要求5.35.4前后两个碰撞吸能区 车身的刚度分配是碰撞安全性的决定因素。安全车身前后部位的刚度应低于中间乘坐舱的刚度。轻微事故时保险杠系统及其碰撞变形元件能吸收冲击能量，减少损失。重大事故时，乘坐舱变形应尽量小，

8、让乘客有足够的生存空间。乘坐舱以外的部件应尽量参与变形并吸收冲击能量。 安全车身5.2 车身结构设计要求5.15.2车身结构设计要求5.35.45.2.5 轻量化要求轻量化的前提保证安全性结构合理化（1）减薄板厚（2）形状合理（3）刚度最佳轻量化的途径(1)缩小车身尺寸(2)采用前置前驱布置型式(3)车身结构合理化(4)使用高强度钢板或其他轻质材料轻质替代材料（1）高强钢（2）铝、镁合金（3）复合材料 车身质量（包括白车身和装备件）对整车质量的影响很大。车身轻量化能有效地减轻簧上质量，使得悬架及传动系统的负荷减小，从而亦可相应地减轻该部分的质量，有利整车轻量化要求，最终达到节能环保要求。 5.

9、2 车身结构设计要求5.15.2车身结构设计要求5.35.45.2.6 密封性要求固定可靠、易装、美观、耐用，接触平稳、振动小，不漏雨、不积水罩盖密封升降玻璃密封动态密封静态密封5.2 车身结构设计要求5.15.2车身结构设计要求5.35.45.2.7 通风性要求布置通风装置应考虑车身结构和行驶中车身的表面压力分布特性5.2 车身结构设计要求5.15.2车身结构设计要求5.35.45.2.8 防腐性要求腐蚀形态穿孔腐蚀缝隙腐蚀端部腐蚀凿击腐蚀疤痕腐蚀凹陷部位封闭结构钢板结合处接缝处板件冲压裁剪处车身底部车身外板 达到车身外板穿孔腐蚀为10年，表面锈蚀为5年，发动机罩内和地板下表面锈蚀为2年的

10、“10-5-2”车身防腐蚀目标5.3 车身结构轻量化的技术路线5.15.25.3 轻质车身结构设计5.45.3.1 车身结构轻量化设计特点轻质车身结构分析系统集成框图5.3 车身结构轻量化的技术路线5.15.25.3 轻质车身结构设计5.4 车身轻量化结构设计需要满足车身刚度、模态、碰撞安全性、疲劳寿命和NVH特性等诸多方面的性能要求和相关的法律、法规及标准，结构优化分析是根本手段 5.3 车身结构轻量化的技术路线5.15.25.3 轻质车身结构设计5.45.3.2 车身结构轻量化设计方法5.3 车身结构轻量化的技术路线5.15.25.3 轻质车身结构设计5.4 轻量化结构设计就是以强度高、抗

11、振性好、弹性模量高的材料为基础，高强度的连接、优化的部件几何结构为条件，实现车身强度、刚度、稳定性以及振动和声学性能的保证。 5.3 车身结构轻量化的技术路线5.15.25.3 轻质车身结构设计5.45.3.3 结构轻量化的途径结构轻量化5.3 车身结构轻量化的技术路线5.15.25.3 轻质车身结构设计5.4a）分散型结构(焊接的冲压件) b）混合型结构(金属与复合材料的混合) c）整体型结构(压铸的泡沫铝合金) 应用轻质结构的车门a）分散型结构（AUDI A2） b）整体型结构（VW LUPO）应用轻质结构的车身选择密度较小力学性能接近于钢材的材料5.3 车身结构轻量化的技术路线5.15.

12、25.3 轻质车身结构设计5.4材料轻量化轻质材料要求轻质材料要求易于维修可塑型可连接可制造能量消耗费用阻尼振动特性声学特性使用性可回收再利用抗腐蚀外观和表面保护强度刚度可变形吸能轻量化更多要求：物流、生产兼容性、未来技术5.3 车身结构轻量化的技术路线5.15.25.3 轻质车身结构设计5.4目前尚未发现具备所有要求品质的材料EP-玻璃玻璃EP-聚酰胺聚酰胺EP-碳纤维碳纤维特定的刚度特定的刚度特定强度特定强度5.3 车身结构轻量化的技术路线5.15.25.3 轻质车身结构设计5.4 采用材料的轻量化参数为零部件选择最优材料提供有效帮助.综合极限长度和线性应变，可以对不同材料进行轻量化效果分

13、析。极限长度：体现质量和抗拉强度之间的相互作用。线性应变：将部件的质量和结构的拉应力变形结合起来。5.3 车身结构轻量化的技术路线5.15.25.3 轻质车身结构设计5.4线性应变极限长度极限长度lR/km线性应变lE/km铝 镁 钛 钢玻纤增强塑料 碳纤增强塑料线性应变极限长度线性应变lE/km极限长度lR/km铝 镁 钛 钢玻纤增强塑料 碳纤增强塑料5.3 车身结构轻量化的技术路线5.15.25.3 轻质车身结构设计5.4典型的基于多种材料设计的车身典型的基于多种材料设计的车身宝马6系Coupe的白车身材料成分5.3 车身结构轻量化的技术路线5.15.25.3 轻质车身结构设计5.4 合适

14、的材料应用于合适的部位是由零件的特性决定的：要求满足刚度的零件，弹性模量刚性参数和E A或者E I的比例最为关键；要求满足强度的零件，静力学中的ReH或者Rm，或者动力学中的A（耐久性）是具有决定性意义的；要求具有临界损坏值的零件，撕裂阶段中取决于可持续受力值Ni = F(ai)，裂纹扩展阶段中取决于裂纹扩展的速度da/dn = F(Kc)；对于有吸能要求的零件，起决定性作用的是材料变形过程内部吸收的弹/塑性变形能。5.3 车身结构轻量化的技术路线5.15.25.3 轻质车身结构设计5.45.3.4 结构轻量化的技术难点5.3 车身结构轻量化的技术路线 轻量化设计的难点真正还在于，它的设计过程的复杂性，以及结构、材料、工艺之间的相关性，只有在三者间找到交集的集合，才能完成轻量化设计。 成本成本生产运营维护保养维修废弃物处理设计设计减法/加法/混合造型自由度功能集成（传感器/执行机构）表面设计质量质量使用寿命尺寸稳定性/相容性抗腐蚀性舒适性（声、视觉、触觉）制造制造批量生产/单件生产成型加工连接/分割表面处理质保设