汽车车身结构与设计第五章车身结构力学性能分析计算

汽车车身结构与设计,2016,第一节 载荷工况条件,第五章 车身结构力学性能分析计算,一、动载荷系数与安全系数,静态载荷 动态载荷 等效载荷 动载荷系数 安全系数,动态载荷静态载荷 * 动载荷系数 等效载荷静态载荷 * 动载荷系数 * 安全系数,二、垂向对称载荷工况,三、垂向非对称载荷工况,三、垂向非对称载荷工况,标准化的扭转工况凸块高度应满足条件：能够使得同一车轴上的另一个车轮刚刚离开地面；其它车轮仍处于地面支撑状态。,四、纵向载荷工况,四、纵向载荷工况,脉冲输入工况,推荐凸起高度：,五、侧向载荷工况,六、组合载荷工况,轮胎侧向挤压,第二节 弯曲性能分析计算,第五章 车身结构力学性能分析计算,一、车身弯曲性能要求,将汽车的各零部件安装并固定在正确位置上 车身弯曲刚度与驾乘人员主观感受之间关系 车身弯曲刚度实验模型,二、 “简单结构面法”模型,简单结构面法（Simple Structural Surface, SSS法）,对汽车结构受到的载荷和应力进行分析的简单模型有很多，最为有用的分析方法是简单结构面法。简单结构面法（SSS）可以用来对作用在车身主要结构件上的载荷及其传递路径进行分析。 简单结构面在自身所在平面内是刚性的，在其它平面则是柔性的，即在自己的平面内能够承受载荷（拉力、压力、剪切、弯矩），但不承受与平面正交或平面外的弯矩。,二、 “简单结构面法”模型,三、车身弯曲强度计算 ”SSS法”,三、车身弯曲强度计算 ”SSS法”,注：后部的载荷没有标示出来。,三、车身弯曲强度计算 ”SSS法”,结构面SSS-1:,结构面SSS-2:,三、车身弯曲强度计算 ”SSS法”,结构面SSS-3:,结构面SSS-4:,三、车身弯曲强度计算 ”SSS法”,结构面SSS-5:,四、车身弯曲刚度 ”三组分”模型,四、车身弯曲刚度 ”三组分”模型,四、车身弯曲刚度 ”三组分”模型,四、车身弯曲刚度 ”三组分”模型,第三节 扭转性能分析计算,第五章 车身结构力学性能分析计算,一、车身扭转性能要求,最大扭矩：,一、车身扭转性能要求,扭转强度要求 实现良好操纵稳定性的需求 实现良好NVH性能的需求,二、车身扭转性能模型,20世纪70年代，针对车身扭转特性分析的早期分析模型将车身结构简化为梁框架结构，仿真计算得到的车身扭转刚度值仅为实测值的10%30%。 研究表明，面单元这一抗剪类型的单元是抵抗扭转载荷的主要结构成分，当模型中引入面单元后，能够显著改善分析模型的计算精度，可被用来对扭转载荷作用下的车身结构特性进行合理解释。,三、车身扭转强度计算 ”SSS法”,三、车身扭转强度计算 ”SSS法”,三、车身扭转强度计算 ”SSS法”,四、车身刚度“方盒”模型,四、车身刚度“方盒”模型,四、车身刚度“方盒”模型,外部扭矩做的功 = 储存在面板内的所有剪应变能之和,四、车身刚度“方盒”模型,四、车身刚度“方盒”模型,四、车身刚度“方盒”模型,a,b,四、车身刚度“方盒”模型,第四节 车身结构耐撞性能分析计算,第五章 车身结构力学性能分析计算,一、车身结构耐撞性能要求,正碰抗撞性设计 侧碰抗撞性设计 尾碰抗撞性设计 抗车顶压溃设计,一、车身结构耐撞性能要求,对于正碰，汽车与正面刚性壁障碰撞产生的车身加速度响应是设计流程中的主要考察指标。 正面碰撞主要考察车辆前端结构的吸能效果。 基于汽车碰撞中的乘员伤害机理，对于轿车车身正面碰撞性提出了如下具体的设计要求： 1. 确保乘员生存空间，减小乘员舱变形、降低对乘员舱的侵入。 2. 减小车身减速度。减速度越大，通过配合使用乘员约束系统减轻乘员伤害的难度也就越大。 3. 碰撞过程中车门不能自动打开，相反地，要保证碰撞后可以不借助工具打开至少一侧车门。,一、车身结构耐撞性能要求,由于侧面碰撞中允许的乘员舱变形量很小，而对乘员舱过大的侵入是造成乘员伤害的主要原因，所以侧面抗撞性设计应以减小乘员舱侵入、维持乘员生存空间为重点。具体设计要求包括： 1. 减小侧围结构对乘员舱的侵入量，防止侵入量过大时对乘员的挤压伤害。 2. 减小侧围结构对乘员舱的侵入速度，特别是与乘员接触时车门的速度，减轻对乘员的撞击力。 3. 碰撞过程中车门不能自动打开，相反地，要保证碰撞后可以不使用工具打开至少一侧车门。,一、车身结构耐撞性能要求,尾碰抗撞性的具体设计要求包括： 1. 减小乘员舱变形量。 2. 减小碰撞中车身的减速度，减轻乘员颈部的鞭梢性伤害。 3. 在碰撞中维持燃油箱的存放空间，减小对燃油箱、油路的挤压。,车顶压溃一般发生在汽车滚翻工况。具体设计要求包括： 1. 提高车顶的支撑刚度，减小乘员舱的变形量。 2. 碰撞过程中车门不能自动打开；相反地，要保证碰撞后可以不使用工具打开至少一侧车门。,一、车身结构耐撞性能要求,低速碰撞主要关心的是避免汽车重要部件的损坏，以减少因撞车带来的维修费用。因此，要求设置低速碰撞吸能区，使低速碰撞汽车的动能主要通过低速碰撞吸能区的变形被吸收，并尽量不使低速碰撞吸能区后部的车身主要结构发生永久变形。,一、车身结构耐撞性能要求,当汽车撞击行人时，对行人的伤害一般包括一次碰撞时由保险杠、前散热罩和发动机舱盖前端等产生的下肢伤害，行人与发动机舱盖和风窗玻璃等二次碰撞产生的对行人头部的伤害，以及受撞击后行人与路面三次碰撞产生的伤害。针对前面两项伤害，在车身结构设计时应将相应部位的刚度设计得软一些，以缓冲对人体的撞击。这些部位通常包括前保险杠、前散热器罩、发动机舱盖前端、发动机舱盖上表面以及风窗玻璃等。 另外，在行人保护措施中，防止车体凸出物对行人的伤害也很重要，例如，在车标的设计中应避免有尖锐部分。,二、正碰结构性能设计,刚开始碰撞时，由于前保险杠遭到破坏，产生的载荷还比较小，随后当腰线开始加载时，载荷图线产生一个突起，说明产生的载荷突然增加数倍。另一个载荷突变发生在t=35msec时刻，这时，刚性发动机与壁障发生碰撞，发动机突然减速。之后，随着发动机舱结构继续发生折叠变形，产生的载荷都相对稳定。,二、正碰结构性能设计,汽车车速一开始是逐渐减少，在t=30msec时，车速开始呈陡斜线下降，直至为零。 任意时刻t的斜率就是那一时刻汽车质心的加速度。,碰撞过程中的车辆质心加（减）速度水平直接反映了伤害程度的大小，如果质心的加速度水平较低也就意味着对乘员的伤害量也将较小。因此，可以通过控制碰撞过程中的加速度水平作为正碰抗撞性结构的一个关键设计要求。,二、正碰结构性能设计,二、正碰结构性能设计,将碰撞载荷定义为随变形变化的非线性曲线来进行单质点模型的扩展。采用“载荷-变形特性曲线”所围成的面积与前面所使用的定载荷曲线所围成的面积相同，也就意味着这两种变形模式所做的功是相等的。 用碰撞效率系数对这个非线性碰撞载荷特性曲线进行描述：,二、正碰结构性能设计,利用碰撞效率系数，可以对不同的碰撞加速度特性曲线反映出来的乘员伤害水平高低进行定性评估。碰撞效率系数越接近1，也就是说车辆质心加速度响应曲线越接近方形，乘员头部伤害水平越低。在进行汽车前部吸能区结构设计时，尽量将碰撞过程的车辆质心加速度响应曲线设计成方形。,二、正碰结构性能设计,以试验标准初速与刚性壁障碰撞后，车速的时域响应实验曲线，曲线的斜率为汽车加速度。加速度峰值区间为20g-30g。一般来说，较小的加速度峰值，对乘员造成的伤害也较低，可以将加速度峰值20g作为进行吸能区结构设计的目标值。,二、正碰结构性能设计,根据正碰过程车辆响应特性的分析结果，针对正碰载荷工况的结构设计准则可归纳为一句话：车身结构的设计应能实现车辆以可控的均匀加速度响应特性对碰撞能量进行吸收。 将这一基本设计准则分解为车身结构初期设计阶段的3个要求：（1）汽车加速度响应特性的峰值；（2）合理的吸能区可变形空间；（3）尽量均匀的碰撞载荷力。,二、正碰结构性能设计,二、正碰结构性能设计,针对车身前部吸能区的结构设计，应遵循如下步骤： (1) 基于限制乘员伤害指标的需求，确定车身允许的加速度峰值； (2) 确定结构效率系数与碰撞变形量的乘积，设定许可的碰撞变形空间，得出碰撞结构效率系数； (3) 根据第(2)步得出的结构效率系数，计算出碰撞中许可产生的平均载荷和最大碰撞载荷； (4) 将第(3)步得出的各载荷作用于车身前部吸能区的结构单元上； (5) 根据经验对第(4)步得到的载荷在车身结构各传力路径上进行分配。,二、正碰结构性能设计,通过合理地设置碰撞力传递路径，使碰撞能量直接传递到车身框架上，有利于碰撞能量的吸收。辅以车身A柱、门槛以及B柱铰接位置的加强，引导碰撞能量的分流，保障乘员舱的完整性，确保碰撞中及碰撞后乘员拥有良好的生存空间。 在碰撞过程中前部吸能区能够按照所期望的变形特性（加速度响应、力响应等）产生永久塑性变形吸收碰撞能量；乘员舱则能够提供足够的刚性以保障乘员的生存空间，并在乘员约束系统的保护下尽可能减小各项伤害指标。,三、侧碰结构性能设计,已有研究表明，侧碰工况下，车辆左前门内侧相对应假人胸部、腹部和骨盆三个区域处的侵入量和侵入速度对假人伤害影响最大。,三、侧碰结构性能设计,移动壁障的加速度 ？ 汽车的加速度 ？,三、侧碰结构性能设计,三、侧碰结构性能设计,因此，壁障及车体的加速度为：,（ ）,碰撞结束时刻为：,三、侧碰结构性能设计,三、侧碰结构性能设计,三、侧碰结构性能设计,因此，车门与假人发生碰撞接触的开始时刻为：,三、侧碰结构性能设计,因此，车门与假人碰撞终止的时刻为：,三、侧碰结构性能设计,三、侧碰结构性能设计,在侧碰中，B柱和门槛是两条最主要的传力路径。其中，B柱为垂向传力路径，向上传递至车顶纵梁，然后通过车顶支撑横梁横向传递；门槛为纵向传力路径，向前传递至A柱，向后传递至C柱，同时也会通过底板横向支撑梁横向传递。 在侧碰中，应尽早使尽量多的零部件参与碰撞过程中的变形吸能，才能够使得在相同的变形量下侧向结构吸收更多的能量，其余的能量将会转化为车门的动能与车内乘员发生碰撞。为了保证车辆在侧面碰撞中有足够的乘员生存空间，同时降低侧面碰撞中侧面结构侵入造成乘员的接触伤害，应尽量降低车辆侧面碰撞中侧面结构的侵入量。,四、侧碰结构设计要点,由于时刻 的假人模型速度 能够很好地代表假人的受伤害水平，在进行侧碰结构设计时，应对那些对速度 有重要影响的关键结构参数进行重点关注。,F2 高一些比较理想,合理匹配侧围位置刚度,宽度 的合理增加有利于减小乘员伤害水平,F1 低一些比较理想,第五节 车身NVH性能分析计算,第五章 车身结构力学性能分析计算,一、车身振动噪声性能要求,汽车所受到的主要激振源有：1) 具有宽频带的路面不平激励；2) 车轮及轮胎的质量不平衡、刚度不均匀特性对轴头处所带来的激励力；3) 动力驱动系统的激励；4) 高速工况及驶经风口的风载激励。 车身结构是上述各种激振源传递的重要途径，然后通过汽车车身钣金件的振动和声辐射，变成人体可以感觉的振动和噪声。汽车车身结构是一个具有无限多自由度的振动系统，外部及动力总成所带来的时变激励可能激发整车和局部的振动。,二、人体对振动的反应,在10Hz以下，车身结构表现为刚体；在100Hz以上，车身的振动特性以局部模态为主，主要取决于局部结构的设计细节。对于车身结构的局部设计细节，可以在产品开发后期的工作中采取恰当的措施进行完善。在车身结构早期开发阶段，10100Hz频率范围的车身振动特性最应该给予关注，一旦确定就很难在后期的开发阶段进行变更。,二、人体对振动的反应,在车身结构设计要求中，最重要的就是使车身避免与振动源和响应结构发生共振。如果在车身结构设计的早期阶段，实现了车身振动模态频率与汽车其它子系统固有频率的良好模态分离，也就是避免与各主要总成系统和部件的模态频率发生重叠，那么就能够避免绝大多数的振动问题。,二、人体对振动的反应,二、人体对振动的反应,三、单自由度振动模型,三、单自由度振动模型,三、单自由度振动模型,