汽车车身结构与设计(第六章).pptx

1、汽车车身结构和设计，北京理工学院机械和车辆学院林文伟副教授陈小凯副教授，第六章车身结构设计，目前车身结构设计由满足车身结构基本功能要求的功能设计逐步转变为满足车身结构性能要求(如刚性性能、安全、舒适、可靠性和耐久性等)的性能设计。主要内容包括：1)确定整个车身结构必须由哪些主要和次要载荷路径的零部件组成，确定零部件的几何参数，以及如何在一个连续完整的力拓扑中放置和连接这些零部件。2)决定车身组件采取什么样的截面形式，如何形成这样的截面，以及与其他部件的合作关系。组件的密封或外形规格的要求和外壳的内外装饰或压杆的固定方法以及构成截面的各部分的制造方法和组装方法等3)建立数字全尺寸模型，形成备件清

2、单，初步估计程序重量，材料选择和车身结构组件分割为分割和零件的方法研究，车身装配连接形式和装配顺序， 位置参考系统和各种工艺孔确定等基本装配方法和制造方法研究4)在上述过程中，您可以使用CAE方法同时执行车身结构性能的模拟和分析，包括刚度分析、模态分析、碰撞分析、NVH分析、疲劳分析等。第六章车身结构设计，第一节概述，第一，车身结构拓扑设计，车身骨架结构拓扑设计是指车身结构中梁、柱等载体部件的空间布局，是车身概念设计中首先要做的工作。车身结构的拓扑空间受车辆的整体形状和内部布局要求的约束。元件的放置是否合理可以透过简化模型的负载计算分析来判断。在此步骤中，您将研究结构拓扑模型，该模型是研究构件

3、几何参数(例如构件剖面、接头参数和钣金厚度)的基础，并定义初始几何标注参数。本体和底部框架结构拓朴、本体结构负载转移路径、本体结构是由元件及其接合组成的本体骨架和薄壳零件一起用于负载转移的基本系统，由骨架结构设计确定负载的转移路径。车身前开放部分，散热器框架，中间电梯部分，后行李室力特性。在构件布置设计中，特别要注意从纵梁到门槛的扭矩箱、前铰链柱顶部的前指梁、斜梁或接头圆角等提升室与前开口部分连接的区域的刚度加强。框架成员的放置必须允许通过前大梁的力流按前面板区域和地板和阈值分布。车身结构载荷转移路径，前面大梁后面，即下部框架组件的中间，其支撑结构主要是与门槛梁和地板焊接的梁。横木布局的位置主

4、要用于根据座位的布置加强左右门槛之间的联系，固定座位，加强底部的中间通道，承受侧向撞击力。提高地板的纵向弯曲能力，方便地板下的传动轴或排气管等的布置。地板组件的后部件主要承担来自后横梁和后地板共享的后悬架的力。后横梁和乘客室连接原则上与前横梁相同，即负载分流有利。车身结构荷载传递路径、副室上部的框架结构由侧组件、前后空气窗框、前后隔板和屋顶梁组成，焊接顶盖。侧面周长在车身的整体弯曲刚度中起着重要作用。前后隔板分别连接到前后风窗框，车体横向剪切刚度高。对于后楼梯主体，汽车尾部的后隔板由上、后风板和后座椅支架组成，可以在车身扭曲时承受剪切力。对于方形或高速背样式，扭转时的剪切力主要由后框架支撑。，

5、车身零件的变形能量计算，车身结构构件布局必须形成连续完整的力系统和合理的载荷路径，通过变形能量计算可以确定结构的载荷路径是否合理。负载期间结构会变形，因此每个部分都储存固定变形能量(弹性势能)。结构构件中存储的变形能量的数量是衡量它承受多大载荷的标志，可以用特定的变形能量(变形能量/质量，也称为变形能量密度)来表示。车体零件的特定变形能量， 1风窗梁2风窗下梁3风窗梁加强板4种梁1 5子框架6支撑板7前轮罩和8仪表板梁9下降桶10前面板梁11前板梁12前板梁12前部梁13A柱14B柱15C柱前面板16C柱17门槛18通道19后纵梁20后板21稳定杆支撑2后板23D柱和2后板23d柱车轮罩连接板

6、24后后轮罩25后翼子板26后内板27上梁28下后梁29后密封板30屋顶框架31屋顶32风窗，图中实线为无风窗玻璃时，虚线为风窗玻璃时，水平虚线表示平均变形能量。在变形能分析、有限元分析软件中显示的结构变形能图中，可以大致看到车身结构各点的相对变形，并可以表示组件的“承载能力”，以组件的变形能与结构总变形能的比率表示。身体扭转的总应变能可以通过取消或减去小于应变能的零件到板材厚度来减轻重量，前提是整体应变能较小，如果身体刚度足够大或材料未充分利用。变形能量大的区域是高负荷区域，通常这里的变形也很大，对车体刚度有很大的影响，所以需要考虑是否需要加强。要想最大限度地发挥材料的效用，必须尽可能地将结

7、构内材料的分布与各个地方的变形能量成比例，使非变形能量均匀。样式中对应于Tx的主体扭转角度。第二，车身骨架结构设计、车身骨架的缺失可分为三类：1)功能要求设计(如门柱、窗棂、门槛、风框上下梁等)；2)屋顶梁、楼板加固梁、门碰撞钢梁等加固；3)为安装附件而设置的非轴承部件。顶盖中设置的框架等，用于安装上部窗。(1)、2)类是车身的主要轴承部件，必须具有足够的刚度和强度，构成连续、完整的力系统。(a)车身骨架刚度设计，车身，尤其是负载在汽车使用过程中承载几乎所有负载的车身刚度特性具有举足轻重的作用。车身刚度不合理直接影响车身的结构可靠性、安全性、NVH性能等核心性能指标。刚性高的车身不仅有利于悬架

8、的支持，而且有利于汽车系统正常工作，改善振动特性。车身刚度已成为车身行业公认的一个重要指标。通常，车身结构具有足够的刚度，足够的强度，扭转和弯曲刚度都要考虑在内，有时还要考虑车身尾部的弯曲刚度。一辆汽车的主要部件的刚度贡献率，车身在车辆内的刚度贡献率最高。该车在扭转刚度中的刚度贡献率达64%，前悬架梁、前阻尼器和后门贡献超过10%，其他部件(仪表板、发动机罩、保险板、防护板、座椅等)贡献较小，为5%，而稳定杆位于前悬架正面，对车辆的刚度贡献为负。底部的中间通道组件，底部的中间通道组件在示例中对车辆的弯曲刚度为8，扭转刚度贡献率为7，具有约束通道的侧向开口变形的通道侧面组件贡献。增加通道侧面组件

9、可以使通道更好地承载结构件。(b)构件剖面设计，大部分由板金成型组成，构件的剖面造型可以分为封闭造型和开放开口，剖面造型和大小会显着影响相应的剖面性质。与杆件刚度相关的截面特性包括惯性矩和极惯性矩(扭转惯性矩产品)，车身杆件的截面形状非常复杂，要计算截面特性，请先分割线束段(长l，厚度t)并将截面形状定义为截面的线束段连接点的坐标值，然后按公式计算。比较剖面性质；对于封闭剖面，中心线周长是固定的，板厚度是固定的，极惯性矩Ip与a的平方成比例，而剖面造型没有独立意义，封闭面积大小很重要。圆形截面在方形截面中具有最高的扭转阻力，而矩形两侧大于h/b 2时，扭转刚度明显下降。车身骨架的剖面范例，(3

10、)车身结构中两个或多个轴承元件相交的部分称为接头的接头设计。本体结构的内力透过接合传递，在力传递过程中接合的变形影响整个本体结构的变形。接头刚度、白主体结构组件由轴承元件、接头和抽壳焊接组成。元件的剖面性质、接合的刚性和薄壳造型以及板厚度均会影响本体的刚性，接合会显着决定整个本体的刚性和振动模式，从而影响本体的NVH效能和耐用性。通常，选择具有明确物理意义的联接刚度(包括联接每个分支(腿)的扭转刚度、内外刚度、前后刚度或上下刚度)作为设计参数。这三个设计参数影响车身的整体刚度，例如内部/外部刚度值，这极大地影响车身结构的整体扭转刚度。(4)骨架结构的应力集中导致力构件截面变形时刚度的急剧变化，

11、从而导致截面变更时的应力集中。是车体结构损坏的原因之一，在结构设计中要避免剖面急剧变化，特别是在加强板和连接设计中，要注意刚度的逐渐变化。板厚度对应力集中的影响、垂直和水平构件接头设计、接头的造型和接头强度设计、连接方式(例如角板)，以扩展接头的面积和减少应力集中。接头中铆钉的数量和放置、焊接长度和放置必须适当。理论上，每个杆截面的弯曲中心轨迹最好在一点相交，以避免产生额外载荷。第三，车身的大壳体部件可分为： 1两类：车身盖、发动机盖外板、车门外板、翼子板等外盖。这些零件的要求是，曲面平滑、边线明显、与相邻组合边线一致、符合塑型要求，并且具有一定的刚性。2)内盖：车身外表面不可见的内部大型部件

12、，如前面板(引擎挡板)、地板、引擎罩内面板、车门内面板等。这些零件的刚性必须足够，零件的组合标注必须准确。主体壳零件加工，主体壳零件轮廓尺寸大，零件形状大部分是空间复杂曲面，各种截面和法兰形状，轮廓尺寸不规则，使用的材料大部分是具有良好拉伸特性的高质量钢板，钢板厚度为0.7 1.2mm。批量生产的准备周期长，投入成本高。设计薄壳零件刚性，特别是设计薄壳零件时，请注意提高零件刚性，并考量以下事项：薄壳零件的刚性取决于零件的板厚和造型、曲面和边线的造型，在深挖过程中，零件材料的冷硬化有利于提高刚性，不建议对平坦零件进行塑型。您可以在内部大板和不暴露的外部盖子上冲压各种形状的加强筋。加强筋的刚度主要

13、取决于其形状。为了防止拉深时出现裂纹，深度不要太大，原则上必须满足钣金拉深的允许条件。钢筋布置、4、车身结构防碰撞设计、车身结构耐碰撞性实际上是车身结构抗碰撞能力、变形模式和碰撞能量吸收等综合能力的表现。车身结构抗冲击性设计的核心是合理配置车身结构各部分的刚度。1、碰撞设计的主要内容，车身结构刚度组织：合理布置主体梁结构和连接结构等车身主要轴承结构，合理配置它们的刚度。合理组织结构的能量吸收：主要的能量吸收部件吸收主要碰撞动能，辅助能量吸收部件吸收少量能量，尽可能多的结构参与能量吸收，提高材料使用效率。合理配置碰撞载荷的传递：合理设计碰撞载荷的传递路径。车身结构的刚度设计：车身结构的刚度设计的

14、目的是减少各种碰撞形式乘员的变形，确保乘员的生活空间。身体结构能量吸收设计：前后碰撞中身体前后结构的变形，可以缓冲冲击，减少碰撞过程中身体的减速。考虑到新材料和新技术的使用，适当应用，可以提高性能、轻量化结构、降低成本等诸多优点。2、全面碰撞时车身结构的防碰撞设计，全面吸能缓冲使用强吸能材料，尽可能多地吸收变形引起的冲击所产生的巨大能量，同时利用结构上的应力，持续地，未吸收的冲击能量分散在整个车身上，使乘客机舱的骨架力相对均匀，或使其完整性稍差，或以褶皱或加强材料等形式预先设置材料的变形趋势，避免可能对乘员不利的危险变形，避免正面碰撞引起的驾驶舱侵入和相对较低的、(1)车身正面结构的碰撞可能性

15、设计必须充分发挥主要吸能部件大梁在碰撞可能性设计中的作用，吸收大量碰撞动能。在常见的碰撞事故中，车体前部和后部的大部分梁结构经常发生轴向压缩倒塌和弯曲的耦合变形。轴向压力崩溃被认为是最有效的变形模式，即能量吸收不太有效的变形模式。薄壁梁的轴向折床变形生成、预压缩技术触发结构、薄壁梁的弯曲变形和塑性铰生成、塑性铰生成两个主要因素。一个是梁的某些部分起弯矩的作用；另一个是屈服于弯矩的作用。因此，为了防止塑料铰链变形(1)，必须减小弯曲部分施加的弯矩。(2)通过设置加强板等方法提高弯矩部分的抗弯刚度。前布置触发结构，在弯曲部分减小弯矩，使薄壁梁的轴线直线。通过在梁的前端放置触发结构，减小第一最高压缩

16、载荷，可以减小弯曲位置处弯矩的最大值。还可以使用弯曲变形模式提高汽车的抗冲击性。例如，通过使用弯曲变形的塑料铰链，可以向下引导发动机舱的坚固动力系统，减少动力系统冲击较弱的前擦拭引起的乘员舱的侵入。(2)乘务员客房的防碰撞设计，一个通过乘员机舱底部的纵梁和临界梁向后传递，该路线最能承受纵向的力。因此，通常将主吸能部件(如前横梁)置于前端。在碰撞中，纵向力通过前横梁、门槛梁和乘员舱底部横梁向后传递。当前结构的压缩变形较大，前轮参与碰撞，纵向力通过前轮、铰链柱的下部结构和门槛梁向后传递，从而防止前结构继续变形，防止动力传递组件与乘员胶囊碰撞。另一种路径是垂直力通过前指和铰链柱、a柱、门及其防撞梁和

17、门槛梁向后传递。如果该路径上有较大的载荷，则前门框会变大，碰撞后门打开可能会很困难，因此路径前结构的能量吸收能力通常较小。负载后方传递路径考虑，纵向梁结构是乘员前端结构中的主要吸能部件。纵向压缩刚度大的结构，如果吸收相同的碰撞动能，对后支撑结构的作用力也很大。如果乘员的特定部分能够承受较大的垂直力，则前面部分的纵向压缩刚度较大的能量吸收结构或导向纵向压缩力可以向后传递。纵向力向后传递时，应尽量通过多种结构进行分割，一方面通过全偏传递提高对纵向力的承载力，另一方面降低对各支结构刚度的要求。为了满足乘员设计刚性、前吸能结构的坚实支撑要求，乘员舱必须设计得更为坚固。前横梁和门槛梁之间过渡结构的刚度、门槛梁的轴压缩刚度、a柱和铰接柱的连接、a柱和铰接柱下的连接承受纵向力的刚度。为了更有效地发挥两侧结构在偏置碰撞中的功能，使用具有较大弯曲刚度和与末端结构的连接刚度的前风窗下的梁和仪表板安装梁。乘员结