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1、第三章、车身结构拓扑模型与 力学模型 *2 提纲 第一节 作用在车身系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架上的载荷 第二节 第二节 车身结构的拓扑模型 一、车身结构 二、车身结构拓扑模型的建立 三、应变能分析 四、碰撞安全性对车身结构的要求 第三节 车身结构的力学特性和力学模型 一、车身结构内力 二、车身结构中构件的截面性质 三、车身结构中构件节点（接头）的性质 四、车身参数化模型 五、车身详细模型 六、设计各阶段对模型的要求 *2 *3 白车身（BIW-Body In White） 概念：指已经装焊好的白皮车身；主要包括车身结构焊接 总成和车身闭合件（Closure，车门、
2、发动机罩、行李箱盖 等）焊接总成，不包括车身附属设备和装饰件 *3 *4 白车身（BIW-Body In White） 功能 对汽车部件起支撑、连接作用 搭载乘员、货物 为乘员提供良好的驾乘空间和安全保护 *4 *5 白车身的设计要求 1.基本功能要求 安装、固定、连接、密封等 2.车身结构的性能要求 静刚度：扭转和弯曲 静强度：大的外覆盖件、结构件 NVH（振动噪声，刚度、模态，动力学响应） 疲劳和耐久性 3.理想的碰撞特性 安全区、缓冲吸能区、低速碰撞区 载荷分流 二次碰撞缓冲 行人保护 *5 *6 白车身的设计要求 4.轻量化和低成本 结构轻量化 轻质材料 高强度材料 5.遵循总布置尺寸
3、约束 6.基于平台的系列设计 模块化、通用化、平台化 7.满足车身制造要求 质量和可靠性 加工（工艺）、装配 *6 承载系统 车身（或车架）与汽车的车轮、悬架系统 构成汽车的行驶系统，是汽车行驶时的主 要承载部件，承担着全部载荷，包括由发 动机、传动系及悬架系统传来的载荷及各 种路面工况下的作用力和力矩。因此将车 身和车架称为承载系统 车身按承载型式不同分为： 非承载式 承载式 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *7 （一）非承载式车身 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 1-散热器支架
4、2-前翼子板 3-前盖（发动 机罩 ）4-合页 5-导风 板 6-前围板 7-前轮罩（挡泥板 ） 8-前盖锁支架 9-前围板 10-前立柱（A柱） 11-导风 板 12-顶盖 13-上后隔板 14-侧围 15-中地板 16-中柱（B柱） 17-外门槛 18-前地板 19-外侧导风 板 20-车架边梁 21-抗扭盒 *8 非承载式车身特点 带有独立完整车架 动力总成、悬架和转向系等均安装于车架； 车身通过橡胶垫或悬置用螺栓与车架连接。 载荷主要由车架承担 承载的多少只是相对车架而言，实际上车身 除了承受室内的装载外，还在一定程度上承 受着由于车架变形或振动所引起的载荷 多用于有较宽松空间的高级轿
5、车上 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *9 非承载式车身优点 车身与车架弹性连接，乘坐舒适性好 装配方便，便于车身的改型，例如：Ford T型 车的平台 非承载式车身缺点 尺寸、重量大，整车油耗高 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *10 典型结构分析-车架 大多由闭式箱形梁组成，板厚2mm3mm， 具有抗弯曲刚度和较高的抗扭刚度 正碰时，能量首先由车架承受；通过有目 的的由前向后以车身横断面分级，将碰撞 能量可以传递到指定区域 侧碰时，撞点位置往往在门槛梁的上部（ 车门和门柱），只有
6、一部分能量由车身门 槛传到车架 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *11 典型结构分析-周边式车架 前、后两段的宽度收缩，中段加宽；前、 后狭窄段通过“抗扭盒”与中段纵梁焊接相连 ，形成一种曲柄式结构，在汽车正面碰撞 时可吸收部分能量 车架中段宽度接近于车身地板宽度，从而 提高了整车的横向稳定性，并便于车身室 内地板布置 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *12 非承载式车身应用 少数轿车（例如：可加长轿车） 大多数货车驾驶室为非承载结构 绝大多数大客车仍为非承载式 第一节 作用在车身
7、系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *13 （二）承载式车身 将车架作用融入车身，又称整体式车身 车身承担承载系统的全部功能，发动机 和行驶系的支点都在车身上 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *14 （二）承载式车身 世界第一款承载式车身Austin A30 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *15 主要部分板厚0.914mm 前后悬架支点部分板厚1.299、1.626、2.032mm （二）承载式车身 为防止振动直接传入车身，经常将发动 机和行驶系通过
8、副车架与车身底架连接 副车架与车身底架纵梁之间设有橡胶垫，以减弱发 动机和悬架的振动对车身的影响 可将动力总成和悬架等与副车架形成一个组装部件 （模块化），对生产和使用都带来方便 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *16 （二）承载式车身 优点 是空间框架结构，充分利用车身承担载荷 整体刚度大，重量轻，整车高度低 生产效率高，是现在轿车中常见的结构 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *17 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 （二）承载
9、式车身 例 *18 （二）承载式车身 例 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *19 （一）典型路况下车身所受载荷 整车和车身参考坐标系 就悬挂质量系统（车身、车架）而言，取通过 其质心的坐标系x y z，如果将系统视为刚体， 则它在悬架系统上有六个自由度 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *20 （一）典型路况下车身所受载荷 汽车行驶时，一般作用在车身上的力为 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *21 （一）典型路况下车身所受载荷 动
10、荷系数 主要决定于三个因素： 道路条件（颠簸程度，不平度及其空间分布， 附着系数） 汽车行驶状况（车速、加速度，以及制动、加 速等工况） 汽车的结构参数（如悬架弹性元件的刚度，轮 胎刚度，整车质量分布、轴距等） 上述因素很复杂，动荷系数难以用数 学分析法确定。往往分别对某些简单 的路况进行研究，动荷系数则取一些 理论研究与试验修正相结合的半经验 数值 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *22 （一）典型路况下车身所受载荷 典型路况 路段由n个高度为h的对称不平度组成，产生对称于 汽车纵向对称面的垂直力Fzs 路段具有半径为r的垂直方向的曲率
11、，所产生的加 速度与速度平方成正比，与曲率半径成反比 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *23 （一）典型路况下车身所受载荷 典型路况 路段具有高度为hn的非对称不平度，使左右车轮垂 直加速度不同 路段具有高度为hp的障碍物，使汽车产生垂直加速 度和纵向力Fx；汽车制动时也存在Fx方向的制动力 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *24 （一）典型路况下车身所受载荷 典型路况 路段具有半径为的水平曲率，汽车质量由于惯性 离心力产生侧向加速度和侧向力Fy。路段一定，加速 度大小主要取决于行驶
12、速度 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *25 1影响车身强度的基本载荷对称垂直载荷 当汽车行驶在和路段上，假设汽车结构左右对称， 则承载系统将经受与汽车纵向轴线相对称的垂直作用力 Fzs ，是汽车正常行驶情况下的主要动载荷成分 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *26 1影响车身强度的基本载荷对称垂直载荷第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *27 2影响车身强度的基本载荷非对称垂直载荷 左右车轮接地点出现高度差hn，则承载系统上将作
13、用有非对称于汽车纵轴线的垂直载荷 载荷可分解为对称垂直作用力Fzn和反对称于汽车 纵轴的垂直载荷，形成车身绕x轴的转矩Tx 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *28 2影响车身强度的基本载荷非对称垂直载荷第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *29 实际汽车行驶时，承载系统在六个自由度方 向运动，各点的位移或加速度是不相等的 车身系统并非刚体。现代计算手段完全能够 充分考虑车身是一个高度超静定的弹性体， 可以包含车身结构弹性对载荷的影响，并计 算各构件所受的载荷 第一节 作用在车身 系统上的
14、载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *30 （二）随机载荷疲劳载荷 实际汽车在不平道路上行驶时所经受的外 载荷，都带有随机性质 车身承受悬架传来的路面随机载荷 时间域：载荷-时间历程或时域负荷 频率域：功率谱（密度） 随机载荷引起构件反复交变的应力 应力幅值不大，一般不超过弹性极限 会导致汽车结构疲劳损坏，故又称疲劳载荷 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *31 （二）随机载荷疲劳载荷 疲劳载荷大小及其特性与路面情况、以及 汽车的使用情况和结构参数等因素有密切 关系 路面情况：不平度及其空间频率分布 汽车的使用情况：
15、车速、工况（加速、制动、转 弯）、货物装载量 结构参数：轴距、轮距、轴荷分配、质心高度等 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *32 （二）随机载荷疲劳载荷 对随机载荷只能进行统计的描述 道路试验方法：汽车在典型路面上进行短距离实 测，然后用统计学原理对测得的车身支承处的响 应进行整理和推断，编制成载荷谱 数字分析方法：通过积累的路面不平度的测量统 计资料（路面功率谱密度）和反映结构参数的系 统频率响应函数，求得悬架支承点输出功率谱和 均方值；并作为车身的输入，从而求出车身构件 的载荷。或者利用多体动力学仿真来计算 第一节 作用在车身 系统上的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架 上的载荷 *33 （三）标准载荷G载荷 设计载荷的制定涉及产品竞争 各公司根据各地使用条件制定了各自的标 准载荷，对全装备车身结构上的悬架支承 处施加约束，完成标准工况的载荷分析， 模拟车身的变形，得出车身载荷的分布和 高应力区 一些汽车公司对欧洲地区承载式车身采用 三种标准G载荷工况
