汽车车身设计-第四章

1、第四章、车身结构刚度和动力学性能设计下午1时38分1提纲第一节 车身结构刚度设计 一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度第二节 车身结构的动力学性能设计 一、车身振动特性 二、车身结构动力学性能设计第三节 结构设计过程与性能实现 一、结构方案设计阶段 二、结构研究阶段 三、结构完善阶段 四、白车身结构设计完成的总结下午1时38分2 车身:薄壁结构元件组成、多自由度弹性系统，在外界激励作用下将产生变形，引起系统的振动 当外界激振频率与系统固有频率接近，或成倍数关系时，将发生共振共振 振动振动/共振的影响共振的影响 使乘员感到很不舒适 带来噪声和部件的疲劳损坏 破坏车身表面的防

2、护层和车身的密封性，从而削弱抗腐蚀性能下午1时38分3 高刚度、轻重量成为当今汽车设计追求的目标 高刚度 车辆振动特性与车身刚度密切相关 有利于悬架对车身的支持，使车辆系统正常工作 有利于改进振动特性 轻量化 节能、环保 提高汽车动力性、经济性 提高汽车的操纵稳定性（悬架上的横摆惯量减小）下午1时38分4 如何达到高刚度/轻重量 采用合适的材料，如：高强度钢 车身结构动力学设计 与结构动力学相关的基础性能主要是车身刚度特性 静刚度 动刚度 车身刚度最终影响汽车的目标性能 NVH（Noise、Vibration、Harshness）特性 用户界面点响应（振动加速度、振幅、频率） 噪声（界面点、外

3、部） 界面点：转向盘、地板、座椅、耳旁、踏板 车身结构耐久性（Durability）下午1时38分5车身结构刚度和动力学性能设计一般过程：1）选定当前有竞争力的同类车型，对性能进行对标分析2）对新设计提出具体目标要求3）实施车身拓扑构造技术，选择结构方案4）建立车身CAE模型5）结构优化，直至获得满足目标性能各方面要求的最佳方案6）试验验证7）完善化8）结论产品设计的全面评估下午1时38分6 车身刚度 整体刚度整体刚度 主要决定于部件的布置和车身结构设计 局部刚度局部刚度 主要是安装部位和连接部位的刚度 决定于局部车身结构断面形状和采用加强结构等第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车

4、身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分7 车身刚度设计是满足车身结构动力学要求的基础 车身刚度设计一般内容1.刚度测试和分析2.车身整体刚度设计3.车身局部刚度设计第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分8 车身的刚度在整车刚度中占有很大成份，所以尤其要注意车身刚度的影响第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分9整车弯曲刚度整车扭转刚度 整车刚度和部件刚度的贡献可以通过测量获得，方法简述如下：1）整车弯曲刚度：在车身侧围门槛中段对称施加垂直载荷，测量底架的垂直位

5、移2）整车扭转刚度：在左、右前车轮与地面接触处施加方向相反的力，形成一扭矩，测量底架的垂直位移3）每个部件的贡献：通过逐个拆除部件而测得的结果与整车刚度进行比较第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度车辆部件的刚度车辆部件的刚度贡献实例贡献实例车身的刚度贡献最大；前悬架横梁，前风窗和后背门有超过10%的贡献，“其它”部件贡献很小下午下午1时时38分分10车身刚度测量装置a)测量弯曲刚度（左、右同向加载Fb）b)测量扭转刚度（左、右反向加载Fd）第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分11样车的固定

6、及安装调整 白车身按实车装配副车架、前后悬架装置 螺旋弹簧和减振器锁死或用刚性件代替 将转向节经夹具与前轴支架的横梁连接，将后桥直接固定在后轴支架上，再对整车进行水平调整第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分12固定形式（左后轮）固定形式（右前轮）洞口变形测量加载方式-弯曲 加标准分布载荷，或在车身中部附件一点或两点加集中载荷等 第一种方法主要用来考察车门开口部分的变形，大多与静强度试验一起进行 第二种方法则用来求车身的刚度值 额定满载、超载、均布、或集中载荷 金属重块、沙袋、加载装置加载方式-扭转固定后轴中心位置，由前轴中心加扭矩

7、固定车身后端，由前端加扭矩按照上两种情况同时加扭矩等整车的支撑加扭是通过升高或降低某一车轮支撑使被测车使四个车轮不处于同一平面实现的，骨架车身则通过扭转试验台第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分13测点的选择 测点分布在车身主要承载部件上（前后纵梁下方、门槛梁下方、前排座椅处底板下部、前围板下部），间距300mm 在测点处布置位移传感器，测量车身弯曲变形时产生的垂直变形，在前后窗口、左侧门洞口布置对角线测规测量对角线变化安装间隙的消除 试验前对已装在试验台架上的样车以最大载荷的一半预加载一次，而后卸载，以消除安装间隙第一节 车身结

8、构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分14评价指标 弯曲第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分15各部位变形量要求各部位变形量要求评价指标 扭转第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分16各部位变形量要求各部位变形量要求测量结果-底架梁变形曲线第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分17 根据对已有车型的试验分析，研究整车刚度的匹配和车身刚度的匹配 通过对标分析，为新

9、车型的刚度指标提供参考 当新车型各主要部件的结构和刚度匹配确定后，即可获得车身的初步目标刚度指标 弯曲刚度和扭转刚度 模态频率要求 分析车身各子部件对车身刚度的贡献，进而确定部件的刚度指标第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分18 例：1. 前风窗 由顶盖前横梁，风窗下横梁、A柱及玻璃等组成 在车身经受扭转时阻抗四边形变形，对整车扭转刚度贡献达15%，对整车弯曲刚度贡献为6% 加强A柱横截面和顶盖前横梁截面，以及加强A柱上、下接头的刚度很有意义第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时

10、时38分分19 例：2. 地板的中间通道构件 对整车弯曲刚度贡献8%，对扭转刚度贡献7%，贡献来自于它有约束通道横向张开作用的通道横向构件 增加通道横向构件能使通道更好地起到承载结构件的作用第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分20 车身整体刚度主要指车身的弯曲刚度和扭转刚度第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分21车身整体刚度的发展趋势 良好的车身刚度能防止结构在载荷作用下产生大的变形 例：转向柱或座椅等大的位移，或车身结构与车室内空腔发生声固耦合的变化而引发高的噪声

11、良好的整体刚度，尤其是扭转刚度，也是汽车操纵性所要求的第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分22车身整体刚度设计方法（一）构造车身基本结构，建立概念设计模型（二）车身刚度优化第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分23 在概念设计阶段，结构设计可以基于当前有竞争力的参考车型结构，考虑材料、工艺等先进技术的采用，顾及车辆总体布置和造型的要求。在数据库支持下初步建立结构拓扑（布局）和几何尺寸的CAD模型第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身

12、基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分24 为了分析结构刚度，需要根据结构的CAD模型，建立有限元概念分析模型 概念设计时采用简化的有限元分析模型 设计参数少，便于在结构优化中反复迭代 计算周期短，还便于结构修改 例：基于参数的PBM模型是很好的简化模型第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分25 结构概念设计阶段是对结构不断优化的过程 通过优化计算和经验设计，适时修改模型；直到模型的各部分的性质得到合理的匹配，满足总的刚度设计目

13、标；并同时顾及设计、制造等其他要求 优化后模型的各部分性质就是下一步车身详细设计的指南 如PBM：反复计算和修改PBM直到满足性能目标要求的过程就是优化过程第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分26 1. 优化目标 车身刚度优化的目标是高刚度/轻重量 刚度要求 对标确定的静刚度指标 车身结构的一阶弯曲、一阶扭转模态频率 一阶频率与车身刚度和质量密切相关，并以很大的成份影响车身的动态特性 轻重量设计 通过应变能计算和分析每个组件（或局部材料）的贡献 对一些变形大或应变能大的零

14、部件采用加强板，改变截面尺寸或增加板厚，而对应变能小的零件可以撤除或减小板料厚度第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分27 2. 灵敏度（Sensitivities）和灵敏度分析 量化研究灵敏度，选择较灵敏的变量或部位进行修改，引导结构优化的方向 构件截面特性对材料几何尺寸变化的灵敏度 接头刚度对材料几何尺寸变化的灵敏度 结构整体刚度对截面特性、接头刚度、板厚变化的灵敏度第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型

15、（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分28第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分29第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度 由薄板围成的截面其板厚变化只是微量的改变（摄动），因此，惯性矩增量和板厚增量之间的关系可近似为线性 当截面外形尺寸已定，可以通过改变组成截面的各零件板厚，找到对截面特性最灵敏的零件，以便优化获得满足惯性矩要求的最小材料面积；或在限定的材

16、料面积下，提高截面惯性矩，从而提高车身刚度下午下午1时时38分分30第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分31第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分32第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分33第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分

17、析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分343. 整车接头优化根据竞争车型对标分析结果，确定新车型的车身NVH性能水平，并初步分派各接头刚度指标参考样车和经验数据，进行接头初步构造和尺寸选择建立接头刚度约束下的板厚（成本、重量）优化模型第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分353. 整车接头优化根据材料单价和重量，估算初步设计接头的总成本，提出优化价格目标成本约束基于冲压的可行性和工程判断决定板

18、厚的上限和下限尺寸约束对各接头进行刚度关于板厚的灵敏度分析。对不灵敏的零件减重（减小板厚）；对灵敏的零件作为提高刚度的对象第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分363. 整车接头优化输入已知量，在约束变量的限制下迭代计算，最终收敛于一个可行解，输出新的接头总成本、重量和刚度值。然后对新的结构进行CAE计算，评估是否满足整车的目标性能要求 如果满足则释放设计的零件 反之，根据新的接头刚度及其灵敏度需再调整尺寸或成本约束条件，再进行分析和评估，直到满意为止第一节 车身结构刚度设

19、计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分373. 整车接头优化-实例用上述方法对车身结构的5个接头进行优化1-A柱到顶盖2-B柱到顶盖3-B柱到门槛4-铰链柱到门槛5-A柱到铰链柱）包括23个车身板零件分析的目标：在低成本下满足接头目标刚度要求计算接头关于板厚的灵敏度，并对灵敏度小的零件减小板厚。优化结果见表4-1，由于减小了一些零件的板厚(t为负值)，使成本节约8.77美元，而接头刚度却有所提高。 然后应根据新的接头刚度验算车身性能第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（

20、一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分383. 整车接头优化-实例结果第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分39车身整体刚度设计过程总结1）对竞争车型测试参数；2）刚度研究，注意到整车刚度匹配和车身刚度的匹配，分派各子系统刚度指标；3）初步构造结构，并建立系统简化分析模型；4）结构计算研究，包括静态扭转刚度和弯曲刚度计算车身一阶弯曲和扭转模态频率通过灵敏度分析和应变能分布图，进行各部件的贡献分析，在此基础上进行平衡，

21、再布置构件确定基本尺寸5）通过优化计算，获得最小重量下的位移、应力、模态频率。为满足目标刚度要求，需要多次反复修改结构6）建立细化模型，详细结构设计并验证性能第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分40车身整体刚度设计过程总结 简化的参数化模型不能用于细化结构形状的评估或进一步研究细小重量的减轻 一定要建立全网格板单元模型；用它可以提高计算结果的精确性并充分地探讨零件的形状第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计（一）构造车身基本结构，并建立概念设计模型

22、（二）车身刚度优化三、车身局部刚度下午下午1时时38分分41 概念：车身局部刚度指车身结构安装和服务部位的刚度 悬架、发动机、传动系的安装部位 拖钩、吊挂、装运、千斤顶作用部位 安全带固定器安装部位等第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度下午下午1时时38分分42 悬架支承部位的支座（Mount，悬置）刚度是车身结构重要的安装部位刚度 该部位良好的局部刚度可防止载荷通过悬架、动力总成安装点进入车身时发生大的变形，并便于这些总成和车身结构之间的支承和协调第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二

23、）板壳零件刚度（三）防止结构中的应力集中下午下午1时时38分分43 一般根据车身支承件（悬架弹簧）的刚度决定车身结构支座区域的目标刚度 基于车身耐久性的考虑，根据国外经验，有人推荐车身支座区域的目标刚度取为相应的支承件刚度的5倍第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二）板壳零件刚度（三）防止结构中的应力集中下午下午1时时38分分44 在车身刚度设计时，必须对支座区域刚度进行有限元分析，计算这个区域车身坐标系XYZ三个方向的刚度和应力 计算模型是从白车身模型上截割下来的，截割区域大小有统一的规定第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和

24、分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二）板壳零件刚度（三）防止结构中的应力集中下午下午1时时38分分45 例：车身支座模型 Z方向的刚度一般远小于其它两个方向的刚度 支座结构Z方向刚度对车身结构的动力响应和耐久性影响很大，在车身结构设计时必须将它的刚度值与现有车型进行比较，通过安装点的动力传递率（点机械导纳 Point Mobility）计算和车身NVH性能验算来确定方案；最后还要计算疲劳应力 XY平面内的刚度也要适当考虑车身横摆、后碰撞等对支座结构刚度的要求第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二）板

25、壳零件刚度（三）防止结构中的应力集中下午下午1时时38分分46 大型板壳零件（如地板、挡板、顶盖等）的刚度不足，不仅易引发板的振动，尤其是发生共振时板的低频响应使车身内部产生很大的噪声，令人感觉很不舒适，还会造成部件的疲劳损坏 零件刚度差会给生产、搬运等都带来困难 设计板壳零件尤其要注意提高零件的刚度第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二）板壳零件刚度（三）防止结构中的应力集中下午下午1时时38分分47 设计上的考虑1. 板壳零件的刚度取决于零件的板厚及形状2. 曲面和棱线等的造型及拉延成型过程零件材料的冷作硬化，对提高刚度有利

26、，平直的零件造型是不可取的第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二）板壳零件刚度（三）防止结构中的应力集中下午下午1时时38分分48 设计上的考虑3. 可在内部大型板件和不显露的外覆盖件上冲压出各种形状的加强筋 在平的或稍鼓起的零件上，沿零件对角线方向布置加强筋可以使零件在所有方向刚度得到提高 采用交叉筋时要避免交叉处产生大的应力集中 在交叉处用半径大于2倍筋宽度的圆弧来过渡，或者不用交叉筋，如图a第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二）板壳零件刚度（三）防止结构中

27、的应力集中下午下午1时时38分分49 设计上的考虑3. 加强筋（Cont.） 排列加强筋要不能有通过筋间的空间直线 如图b。由于存在xx或yy方向直线空间，不能达到增强刚性的目的; 而图c的布置方式较好 为减轻弯曲零件的回弹，可以垂直于零件的弯曲轴线方向布置条形筋，见图d，或在弯曲部位压出三角筋 筋的刚度主要取决于它的形状。为防止拉延时破裂，深度不宜太大，原则上应满足板料拉延成型所允许的条件第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二）板壳零件刚度（三）防止结构中的应力集中下午下午1时时38分分50 设计上的考虑3. 加强筋（Cont

28、.） 加强筋的轴线宜直，否则在振动时会引起扭转。为防止大的应力，要注意设计筋两端出口的形状。见图第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二）板壳零件刚度（三）防止结构中的应力集中下午下午1时时38分分51 设计上的考虑4.若外覆盖件上不允许出现加强筋，可以在零件上贴装加强板，如图a所示5.可用沉孔来加强刚度，见图b。沉孔还可以提高零件焊接过程中的操作性和接近性，又可减轻重量。加工沉孔是先压延后冲孔第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二）板壳零件刚度（三）防止结构中的应

29、力集中下午下午1时时38分分521. 当受力杆件的截面发生突变时，就会由于刚度突变引起截面变化处应力集中 应力集中可能诱发进展性裂缝，导致疲劳损坏，是车身结构损坏的原因之一 在结构设计时要避免截面急剧变化，特别是要注意加强板和接头设计时刚度的逐步变化第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二）板壳零件刚度（三）防止结构中的应力集中下午下午1时时38分分53 例：为了加强底架纵梁弯曲部分的刚度和强度，在梁上装一加强梁，但由于在加强梁两端a-a和b-b处刚度突变，易出现应力集中而断裂若将加强梁两端的形状改为类似双曲线形（如虚线所示），则

30、这种加固会使应力均匀些当纵梁从封闭截面过渡到开口截面时，加强梁端部也应作类似处理，或者由纵梁腹板逐渐过渡到加强梁腹板（图b ）若不采用加强梁，而将纵梁截面逐渐加高，从加强的观点看效果最好，并可减轻质量（图c ），在梁截面的中心线附近冲孔不仅减轻质量，面且对强度影响很小第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二）板壳零件刚度（三）防止结构中的应力集中下午下午1时时38分分542. 车身承载杆件上往往需要开一些孔洞，以便安装各种导线、管道和机构等这些孔洞将产生应力集中开一个大孔要比开数个小孔应力集中更严重应尽可能将孔位选在应力较小的部位

31、，如截面中性轴附近第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二）板壳零件刚度（三）防止结构中的应力集中下午下午1时时38分分553. 在车身上有许多受有集中力需要使用加强板的部位，如固定车门铰链的地方、悬挂操纵踏板处等。应合理设计加强板的大小和厚度 加强板太小，不足以将集中载荷通过加强板分散到较大的面积上；加强板太大则会增加质量 加强板厚度比被加强件的板料厚，但厚度不宜相差太悬殊，否则在加强板边缘由于刚度突变会引起应力集中而出现裂纹，且对焊接强度也是不利的第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（

32、一）车身支承部位刚度（二）板壳零件刚度（三）防止结构中的应力集中下午下午1时时38分分564. 前、后悬架在车身上的固定点是载荷的传入点。由于力流集中，要非常细心地处理车身支承部件（前、后轮罩）的设计 为起到良好的支承作用，将轮罩零件板厚分级，即支承部位板厚逐级加大；或采用拼焊板，既加强刚度，又控制了应力集中第一节 车身结构刚度设计一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度（一）车身支承部位刚度（二）板壳零件刚度（三）防止结构中的应力集中下午下午1时时38分分57 无阻尼单自由度系统在初始激励作用下，将以固有频率在某一种自然状态下进行振动 多自由度系统 具有与自由度数相等数量的位移

33、形状固有振型 每种振型对应有唯一的固有频率 系统的振动特性可用固有频率和固有振型来表示 无阻尼自由振动系统的特性分析又称模态分析，模态概念是振型概念的推广第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分58 车身的振动特性分析 基于有限元法和线性振动理论 根据结构的有限元模型所用单元的刚度特性，组合整体刚度矩阵K；将各单元的均布质量和阻尼集中到单元的各节点上，组合成结构总质量矩阵M以及结构的总阻尼矩阵C 随时间变化的外载荷也都移置到相应的节点上，形成载荷列阵P(t) 应用虚功原理写出有限个

34、自由度的弹性系统的振动方程第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分59 车身的振动特性分析第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分60 车身的振动特性分析 1车身整体振动模态 无阻尼线性系统的一般运动都可以表达为各阶固有振型的线性组合 对应于较低频率的固有振型（低阶振型），对构件的动力影响大于高阶振型，也就是说，低阶成分的振幅较大；且求解系统的高阶特征值，势必花费更多计

35、算机时 一般车身工程结构，在模态分析时只求低阶的振动频率和振型；除非研究NVH特性时需要计算中、高阶频率第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分61 车身的振动特性分析 1车身整体振动模态 车身系统的低阶振型可能是扭转振型或弯曲振型 某些大型轿车的非承载式车身结构，最低阶的振动有可能是低于20Hz的扭转振动 整体扭转刚度较大的车身结构，最低阶振型有可能是车身的垂直弯曲振型 例 承载式车身一般要求一阶扭转频率大于30Hz，一阶弯曲频率大于40Hz第二节 车身结构的动力学性能设计一、车

36、身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计一 阶 弯 曲 振 型一 阶 弯 曲 振 型（两个节点，频（两个节点，频率为率为2040Hz）二 阶 弯 曲 振 型二 阶 弯 曲 振 型（三个节点，频（三个节点，频率为率为3050Hz）下午下午1时时38分分62 车身的振动特性分析 1车身整体振动模态 轿车各部分的固有振动频率和激振频率的分布图（假设各子系统固有频率是不耦合的）第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分63 车身的振动特性

37、分析 1车身整体振动模态 轿车各部分的固有振动频率和激振频率的分布图1. 车身低阶模态频率大致在2050Hz。汽车在轮胎上的振动频率及发动机在其悬置上的振动频率等，与车身低阶模态频率很接近，车身设计要非常注重结构低阶模态频率的设计 注意提高车身整体的刚度和部件刚度 修改结构，使车身或部件的模态频率避开激励频率，防止共振2. 通过模态振型可以判断出车身振动变形较小的部位；在这个部位（节点处）振动响应较小，如果将动力总成等的悬置点设置在这些部位，从隔振的角度看是有利的3. 在车身装上内饰件后，车身的扭转和弯曲频率最多可分别下降15%和25%第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动

38、模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分64 车身的振动特性分析 2部件模态分析 设计车身部件刚度时，往往需要对结构方案进行分析比较 如果车身刚度分布不均衡，不适应质量分布，其模态频率就会下降例： 若轿车前车身开口部分（装有集中质量的车头）与乘员室连接处的弯曲刚度较弱 当不平路面激励引起的汽车在悬架上的振动频率与车身整体模态频率接近时，就会产生前车身抖动（弯曲振型的组合）第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分65 车身的振动

39、特性分析 2部件模态分析 - 实例：前车身结构分析 从三种车型的有限元模型上切割下前车身, 在切割处约束全部自由度 对三种模型进行模态分析, 确定新车型前车身的设计刚度和模态频率是否满足要求第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分66 车身的振动特性分析 2部件模态分析 - 实例：前车身结构分析 分析比较的内容:1. 前五阶正交模态2. 四种工况静刚度，包括：扭转刚度和整体坐标X、Y、Z方向的弯曲刚度 扭转刚度计算时，单位载荷沿正、负Z方向，分别作用于车身模型的左、右前支承处 弯曲

40、刚度计算时，单位载荷分别沿X、Y、Z方向作用于车身模型的两个前支承处第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分67 车身的振动特性分析 2部件模态分析 - 实例：前车身结构分析 按原来车型车头结构设计新车型不能满足NVH性能要求 根据计算所得模态应变能图和邻近表面的变形图可以看出，前车身横向弯曲模态频率低的原因主要是由于车室与前车身结构之间绕垂直轴的刚度不足所致第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学

41、性能设计下午下午1时时38分分68 车身的振动特性分析 2部件模态分析 - 实例：前车身结构分析 采用加强车头与车室连接部位的刚度，或改变该处载荷路径使力流分散的方法，可使新设计车型前端刚度和横向模态频率大大提高 加强后的新车型前车身的前两阶模态频率要比原车型和竞争车型高很多，而重量却比原车型低了4.7公斤第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分69 车身的振动特性分析 3车身板壳的局部振动模态 刚度差的大型覆盖件容易在振源激励（例如发动机的振动、汽车行驶时传动系的共振、噪声波的冲

42、击等）的作用下，引起板壳的强迫振动 当激振频率接近车身内外板的固有振动频率时将发生板壳共振 车身大型板件共振频率通常在40300Hz，或处于更高的范围 板件振动造成的辐射声和车室内空腔体积的变化，引起气动压力变动，是产生车内噪声的重要原因例如：轿车地板的共振频率在5060Hz左右，共振时发生敲鼓式的声响第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分70 车身的振动特性分析 3车身板壳的局部振动模态第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三

43、）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分71 车身的振动特性分析 3车身板壳的局部振动模态第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分72动力学分析动力学分析 如果计算系统在激励下的响应，即求方程 的通解，它是由齐次方程的通解与非齐次方程的特解叠加而得 应采用车身整备模型（即包括在汽车上所有非结构的标准装备质量的模型），并输入激振力或道路功率谱密度 响应：速度、加速度、位移、应力 时间历程分析（振型叠加法、直接积分法等） 响应谱分析（模态响应） 频率响应分析第二节

44、 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分73试验模态分析试验模态分析 是通过振动模态试验获得表征结构动态特性的模态参数的一种动态分析方法 对于结构动态特性的预测、测试和修改，试验模态分析是最重要的技术之一 通过对结构的模态试验获得模态参数, 为结构设计和改型提供动态基本参数, 进行结构的振动特性分析和优化设计等 模态分析的关键是获得精度高, 可信度高的频率响应函数第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性

45、能设计下午下午1时时38分分74第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分75 传递函数传递函数 通常用于单输入、单输出的系统，主要用在信号处理、通信理论、控制理论 传递函数经常用于线性时不变系统（LTI） 实际系统基本都有非线性的输入输出特性，但是许多系统在标称参数范围内的运行状态非常接近于线性，所以完全可以应用线性时不变系统理论表示其输入输出行为第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午

46、下午1时时38分分76 传递函数传递函数 对于最简单的连续时间输入信号 x(t) 和输出信号 y(t) 来说，传递函数所反映的就是零状态条件下输入信号的拉普拉斯变换 X(s) 与输出信号的拉普拉斯变换 Y(s) 之间的线性映射关系 H(s) 就是此线性时不变系统的传递函数第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分77 频响函数频响函数 在信号分析与处理中，通常感兴趣的系统的频率响应，这时候经常使用频响函数频响函数来表示系统对于不同频率谐波的响应特征 频响函数通常用傅里叶变换表示，傅里

47、叶变换是 s = j 的双边拉普拉斯变换的一个特例 频率响应 H(j) 可分解为幅频响应A()和相频响应() 频响函数实际上是线性系统的稳态响应分量，只有再加上瞬态响应分量，才构成系统的全响应，即系统的传递函数第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分78测试系统的组成测试系统的组成 汽车模态测试中主要应用单点激振分析 单点激振模态测试系统组成： 1. 激振部分,包括信号发生器、功率放大器和激振器等2. 信号测量和数据采集记录部分, 包括加速度传感器、阻抗头、电荷放大器和A/D 数据

48、转换和记录装置等3. 信号分析和频响函数估计部分, 由模态分析软件和计算机硬件组成第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分79测试结构的支承测试结构的支承结构在实际的工作环境中总是处于一定的约束状态, 因此试验时首选模拟真实约束状态的支承方式注意要使铰支等地面支承的基础刚度足够大, 一般要求振动响应只包含数万赫兹以上的频率成分如果难以实现, 则要考虑替代支承方式替代支承方式常常是模拟自由状态的软悬挂支承方法软悬挂可以通过弹性绳吊挂或利用弹性基础来实现要保证刚体模态的最低阶频率低于结

49、构自身第一阶弹性模态频率的10% 20% 使可能参与振动的质量尽可能小第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分80结构激振结构激振1. 激振方法多点激振：有助于提高测试结果的精度, 但通常采用单点激振也可满足测试要求单点激振：激振位置固定不变, 激振器夹具的操作和调整比较省力2. 激振器分为接触式的激振器和非接触式的激励锤激振器： 优点：可根据各种激励信号对结构进行激振 不足：连接结构复杂, 运动部件参数会影响测试结果激励锤： 简单实用,可提供脉冲激励信号 由锤头、力传感器，附加质

50、量和锤柄组成。锤头选用不同的材料、质量、硬度、速度和作用时间，可使脉冲频谱的宽度不同 优点：快速简便, 适合于外场测试 缺点：激励能量难以控制, 激励幅值受限制第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分81结构激振结构激振3. 激励信号模态试验对激励信号的要求 包含足够的激励成分 有足够的幅值水平 在结构存在微小非线性因素时, 具有一定的抗干扰能力常用的激励信号是正弦激励信号(扫频和步进)、随机激励信号(宽带、周期和瞬态) 与脉冲信号各种激励信号各有优缺点, 应该结合实际情况合理选用

51、, 选择时需要综合考虑多种因素决定4. 激振位置激振点选择的总原则： 使激振力易于向结构的各个部位传递 避开振动节点、结构薄弱环节和支承点 安装方便第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分82结构激振结构激振5. 激振器的安装底座应与刚性好的基础刚性结合在一起, 运动部分与被激振结构连接在一起为保证激振力的单向传递和对激振器的“过载保护”作用, 应在激振器和力传感器之间增加具有足够大纵向刚度与很小侧向刚度的连接杆, 并施以适当的预紧力第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性

52、（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分83传感器及其安装传感器及其安装1. 模态试验对传感器的基本要求动态范围宽工作频段宽, 低频性能好 抗干扰能力强灵敏度好, 线性度好体积小, 质量小2. 一般测量动态响应采用压电式加速度传感器, 测量激励力采用阻抗头压电式传感器，利用压电晶体的压电效应将机械量（力、加速度）转换为电荷量，经电荷放大器放大并以电压量输出采用压电式传感器时，需要与其配备前置放大器。放大器分电压放大器和电荷放大器3. 传感器的安装应保证, 具有足够刚性且不增加结构质量的前提下,测量规定方向的真实制动信号。需要根据

53、测试要求和实际情况合理选择固定方式第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分84响应测点布置响应测点布置测点位置、数目和测振方向确定的基本原则：1. 能明确显示研究频率范围内的结构模态振型2. 保证研究的关键点在测点范围内3. 测量方向一般与激振方向一致第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分85试验模态分析应用试验模态分析应用第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动

54、特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分86试验模态分析应用试验模态分析应用车身振动模态是结构的固有特性，白车身振动测试（模态识别）大多采用自由自由方法，也就是说可用软底座支承或软弹簧悬挂，使刚体模态频率接近于零标准车身装备的振动模态识别一般是采用支承-支承方式，测试时用轮胎和悬架装置支承第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分87应用试验模态分析验证和修改应用试验模态分析验证和修改CAE模型模型第二节 车身结构

55、的动力学性能设计一、车身振动特性（一）振动模态分析（二）车身振动响应分析（三）振动特性测试二、车身结构动力学性能设计下午下午1时时38分分88 车身刚度和模态都不是最终的评价指标 汽车的性能指标应体现在实际汽车使用性能的最终综合水平 在设计的最初阶段，应对有竞争力的同类车型进行实际考察和评价，并具体测量驾驶员界面点的振动响应特性第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性二、车身结构动力学性能设计（一）主观评价和客观测量（二）确定性能指标（三）性能综合（四）结构动力学设计下午下午1时时38分分89 1主观评价汽车的乘坐舒适性最终表现为人体的感觉由专家实际驾驶和主观评价的方法在汽车振动性能的

56、研究中起着重要的作用对主观评价认为最好的车型要进行客观测量第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性二、车身结构动力学性能设计（一）主观评价和客观测量（二）确定性能指标（三）性能综合（四）结构动力学设计下午下午1时时38分分90 1主观评价例：某公司新敞篷车设计，对7种竞争车型进行评价专家驾驶竞争车型，先后以低速、高速行驶于粗糙路面上选择转向盘、座椅、后视镜等驾驶员界面特征点，对其振动特性进行主观评价驾驶者对7种车型（A、B、C、D、E、F、G）在粗糙路面上对转向柱振动打分，共分10级，第10级最好等级是以G型车为标准进行归一化比较而得到，黑色带是80%置信区间，可明显标识出差异由图可见

57、，7种车型中对D型转向柱振动特性的主观评价最好第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性二、车身结构动力学性能设计（一）主观评价和客观测量（二）确定性能指标（三）性能综合（四）结构动力学设计下午下午1时时38分分91 2道路响应测量在与主观评价时同样的路面上对三种车型(包括原敞篷车、闭蓬车、硬顶D型车)的道路响应测量图示了三种车型以72kph车速行驶时，在050Hz范围内的转向柱振动加速度响应。D型车的响应最低，证实了主观评价的正确性第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性二、车身结构动力学性能设计（一）主观评价和客观测量（二）确定性能指标（三）性能综合（四）结构动力学设计下午下

58、午1时时38分分92 2道路响应测量结构模态频率是影响结构动力学性能和乘坐感觉的关键指标三种车型的一阶振动模态频率分别是：原敞篷车为13.9Hz (扭转)、闭蓬车为16.1Hz (弯曲)、硬顶D型车为22.1Hz（弯曲）D型的一阶模态频率最高，这也是该车主观感觉最好的主要原因第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性二、车身结构动力学性能设计（一）主观评价和客观测量（二）确定性能指标（三）性能综合（四）结构动力学设计下午下午1时时38分分93 根据测试同类竞争车型所获得的指标，为新车设计提供了一个清晰的动力学性能水平 NVH（Noise、Vibration、Harshness）特性 用户

59、界面点响应（振动加速度、振幅、频率） 噪声（界面点、外部） 界面点：转向盘、地板、座椅、耳旁、踏板 质量 从这个水平出发，考虑到其它要求，可确定各项性能指标，作为结构设计的指南第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性二、车身结构动力学性能设计（一）主观评价和客观测量（二）确定性能指标（三）性能综合（四）结构动力学设计下午下午1时时38分分94 其它性能要求，如：1. 碰撞安全性1. 遵守标准，碰撞空间和碰撞力的级别等2. 用于指导碰撞区构件截面尺寸的选择和结构设计2. 耐久性 例如，要求行驶10万里结构不丧失功能 特别注意悬架、传动系和其他大部件支承处的强度和疲劳要求 疲劳可靠性要求能

60、经受住30万里的当量里程3. 布置、重量、工艺等第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性二、车身结构动力学性能设计（一）主观评价和客观测量（二）确定性能指标（三）性能综合（四）结构动力学设计下午下午1时时38分分95 关键：弄清整车性能要求与部件设计参数（如构件布置尺寸、材料厚度和截面性质等）间的关系 PBM。PBM用于调整部件的性质，直到满足整个结构性能要求 这些部件性质的确定为结构设计指明了方向 这个过程不能获得确定的设计，只是为后续优化设计提供一个初始方案第二节 车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性二、车身结构动力学性能设计（一）主观评价和客观测量（二）确定性能指标（三）性能