项目四车身结构安全设计课件

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1、车身结构安全设计,项目四,学习目标,建议课时：6课时,1掌握车身结构安全设计的基础知识。,2能够分析车辆撞击时，不同方向、大小、作用位置的撞击力对车辆产生的不同效应。,3能够对钢板的特性进行分析。,学习目标,建议课时：6课时,4能够识别不同的车身结构特点和能量吸收区域在车身上的分布。,5能够对车身不同部位的能量吸收进行分析。,6在常见的事故车辆损伤评估工作中，可以找到碰撞的直接接触点，并能根据直接碰撞点分析出撞击力的传递路线和零件的受力情况。,学习情境描述,在汽车设计的过程中，车身结构安全设计的重要性不言而喻。车身设计人员在设计车身的时候，要考虑在行驶过程中如何保证车辆能够承受一般的行驶冲击。

2、当车辆发生撞击事故的时候，要考虑通过不同的设计形式最大化地保证车上人员的安全。在车辆发生事故的时候，维修人员应如何确认损伤的具体位置和范围？如何对碰撞车辆进行损伤评估？本项目主要针对这些问题，通过对车身结构、撞击受力分析、车辆吸能区域设计分析给出一个清晰的答案。,学习任务一 车身结构安全设计,学习资讯,一、 车身结构安全设计基础,二、车辆撞击力和撞击损伤,三、车身钢板特性分析,四、车身结构的能量吸收及加强区布置,学习任务一,一 车身结构安全设计基础,车身结构安全设计的原则除了要能承受一般的行驶冲击外，还必须在发生事故的时候保障乘员的安全。为了在严重的撞击事件中车身既能吸收最多的能量，又能将危及

3、顾客安全的影响降到最低程度，车身必须具有特殊的结构。因此，前、后车身应设计成在某种条件下结构容易变形的形式，以吸收碰撞能量；而乘员室不易变形，以保护乘员的安全。车身结构安全空间如图4 -1所示。,图4 -1 车身结构安全空间,学习任务一,二 车辆撞击力和撞击损伤,1撞击力方向分析,图4-2 撞击力的分解(1),学习任务一,二 车辆撞击力和撞击损伤,1撞击力方向分析,图4-3 撞击力的分解(2),学习任务一,二 车辆撞击力和撞击损伤,2撞击力的方向与车辆损伤之间的关系,(1)撞击力的方向通过车辆的质心。 分析：从图4-4可以看出，若撞击力的方向通过车辆的质心，则车辆不会产生旋转运动，撞击产生的动

4、能缺乏一个缓冲时间，而产生比预期严重的损伤。,图4-4 撞击力的方向通过车辆的质心,学习任务一,二 车辆撞击力和撞击损伤,2撞击力的方向与车辆损伤之间的关系,(2)撞击力的方向未通过车辆的质心。 分析：从图4-5可看出，若撞击力的方向没有通过车辆的质心，则车辆在发生撞击的时候，撞击力与车辆中心之间形成一个力矩让车辆产生旋转运动，撞击速度有一个减弱的缓冲时间，故撞击产生的损伤比撞击力通过车辆质心时产生的损伤要轻。,图4-5 撞击力的方向未通过车辆的质心,从上面两个实例可以看出，即使在车辆的质量、速度、撞击对象均相同的情况下，不同的撞击方向也会产生不同的车辆损伤。,学习任务一,二 车辆撞击力和撞击

5、损伤,3撞击面积大小与车辆损伤之间的关系,质量相近、行驶速度也差不多的两辆汽车，当发生撞击事件时，损坏程度根据撞击物体的不同而有所不同。 如果撞击面积很大，则受损程度会降低，如图4-6所示。,图4-6 撞击面积较大时产生的车辆损伤,学习任务一,二 车辆撞击力和撞击损伤,3撞击面积大小与车辆损伤之间的关系,撞击面积越小，则受损程度将会越大。如图4 -7所示，当撞击面积较小时，保险杠、发动机舱盖、水箱等严重变形，发动机被推向后方，撞击力传递的效应已经延伸到后悬架。,图4-7 撞击面积较小时产生的车辆损伤,学习任务一,二 车辆撞击力和撞击损伤,3撞击面积大小与车辆损伤之间的关系,学习任务一,二 车辆

6、撞击力和撞击损伤,4车辆撞击损伤分析,当车辆撞击障碍物时，车辆通常在十万分之几秒或万分之几秒内停下来， 根据能量守恒定律可知，车辆的动能必然会被消耗掉。那么如何消耗掉呢？要依靠车辆与被撞击对象之间产生的损伤来消耗动能。 碰撞损伤可以分为两类，一类是一次损伤，另一类是二次损伤。,学习任务一,二 车辆撞击力和撞击损伤,4车辆撞击损伤分析,(1)一次损伤 车辆和障碍物之间的碰撞称为一次碰撞，所导致的损伤称为一次损伤。一次损伤通常包括直接损伤、波纹效应损伤和诱导损伤，如图48（见下页）所示。 1)直接损伤 与障碍物直接接触的部位产生的损伤称为直接损伤。 2)波纹效应损伤 在撞击力传输的过程中，由于车辆

7、的某些部位的波纹加工而诱导产生的损伤称为波纹效应损伤。 3)诱导损伤 由于直接损伤的作用力造成其他部件受力而产生的损伤，称为诱导损伤。,学习任务一,二 车辆撞击力和撞击损伤,4车辆撞击损伤分析,(2)二次损伤 车辆在碰撞时会突然减速，车上的人、物体和车辆本身的零件由于惯性会产生二次碰撞，二次碰撞造成的损伤称为二次损伤，如图4-9所示。,图4-8 一次损伤 图4-9 二次损伤,学习任务一,三 车身钢板特性分析,1车身钢板的弹性变形和塑性变形,钢板在外力的作用下产生变形，但外力去除后钢板能够恢复到原始形态，这种变形称为弹性变形，如图4 -10所示。,车身钢板在受到碰撞后会产生变形，应将变形的车身以

8、及车身钢板通过维修。恢复到原始形态，因此对于一名车身维修工作人员来说，了解车身钢板的特性是至关重要的。,图4 -10 弹性变形,学习任务一,三 车身钢板特性分析,1车身钢板的弹性变形和塑性变形,当钢板所受的外力超过或者达到了其能够承受的屈服极限时，钢板所产生的变形在外力去除后不能完全恢复到原始形态（当然钢板的变形也可能部分恢复，但不能达到原始状态），这种变形称为塑性变形，如图4 - 11所示。 要正确理解车身钢板在受到外力作用下产生的变形以及破坏的各个阶段的特性，可进行低碳钢板静载荷拉伸试验，拉伸过程中的力一伸长曲线如图4 - 12所示。,图4 -11 塑性变形,图4 -12 低碳钢板的 力一

9、伸长曲线,学习任务一,三 车身钢板特性分析,2应力集中概念,(1)载荷 外力作用于物体上称为载荷。按照外力作用的方向不同，可以将载荷分为很多种，如拉伸载荷、压缩载荷、剪切载荷等，如图4 -13所示。,图4 -13 载荷的类型,学习任务一,三 车身钢板特性分析,2应力集中概念,图4 -14不同横截面积的网杆的应力分布,(2)应力与载荷之间的关系 物体单位面积上所承受的载荷称为应力，可以用公式表示为 应力=载荷横截面积 由上式可知，在外力的作用下，物体产生的应力与载荷和物体的横截面积有关，也就是说，在载荷一定的情况下，横截面积越小的位置，产生的应力越大，如图4 - 14、图4 - 15所示,学习任

10、务一,三 车身钢板特性分析,2应力集中概念,图4 -15 不同 横截面积的拉 力弹簧的应力 变化,学习任务一,三 车身钢板特性分析,2应力集中概念,(3)应力集中 当一个横截面积处处相等的物体受到拉伸或者压缩载荷作用时，物体内部产生的应力大小也是相等的；当物体的截面上存在缺口、空洞或者沟槽时，则这些部位会 产生较大的应力，物体受到载荷作用时可能会开裂。因此，钢板的应力集中是指因 其横截面积的改变而导致该部位的应力变大，如图4 -16所示。,图4 -16相同横截面积物体的中间出现切口导致该部位应力变大,学习任务一,三 车身钢板特性分析,2应力集中概念,在某些情况下，虽然物体的横截面积没有改变，但

11、在其形状改变的情况下，同样会造成该部位产生应力集中现象，如图4 -1 7所示。 (4)弯曲力矩 如果载荷作用于相同截面的钢板的右侧边缘，则最大应力将产生在接合面上，此时导致物体产生弯曲的力矩称为弯曲力矩，如图4 -18所示。 弯曲力矩产生的应力分布如图4 - 19所示。,图4 -17 圆杆的应力集中,图4 -18 弯曲力矩,图4 -19 弯曲力矩产生 的应力分布,学习任务一,3加工硬化,如果将一根钢丝反复弯曲，则在弯曲的部位会产生硬化，如图4 - 20所示。 同理，在维修变形的车身钢板时，若反复在钢板上进行敲击，则在敲击部位也会产生硬化现象。这种由于反复作用于物体上的外力而造成的作用部位硬化的

12、现象称为加工硬化。,图4-20 加工硬化,三 车身钢板特性分析,学习任务一,三 车身钢板特性分析,4车身变形的特性,为了增强车身的刚性和撞击时的能量吸收作用，在车身上设置了许多用来进行能量吸收的区域，如图4 - 21所示（图中画圈部位）。,图42 1 车身结构能量吸收区域,学习任务一,三 车身钢板特性分析,4车身变形的特性,车身零件的截面形状是各种各样的，在撞击事故发生时应力集中通常发生在以下几个部位： (1)横截面积改变的部位 波纹效应区域（折皱区域）。 加强件的前端或后端。 钢板连接处。 (2)支点部位 拱起区域。 转角区域。 在撞击事故发生时，撞击能量会传递至较薄弱的钢板而使其变形，若变

13、形的部位有加工硬化的情形，则此部位无法吸收撞击能量，而使能量传递至其他较薄弱的区域。,学习任务一,四 车身结构的能量吸收及加强区布置,1能量吸收原理,能量吸收指车辆在发生撞击事故时，车身利用自身设计的弱化区域的结构来吸收撞击能量，通过弱化区域的损坏和变形来消耗能量。而在乘员室区域通过加强结 构的形式来提高刚性，从而最大化地保障在发生撞击事故时乘员的安全。能量吸收 区域的变形理论与波纹效应（图4 - 22）理论类同,图422 波纹效应,学习任务一,四车身结构的能量吸收及加强区布置,2车身不同部位能量吸收分析,(1)前侧梁能量吸收分析 撞击力在前侧梁上的传递路线如图4 - 23所示。 分析：前侧梁

14、在设计时布置了孔洞、形状变化区域等弱化区域，这些部位属于车身应力集中区域，在撞击力传递的时候，,图423 撞击力在前侧梁上的传递路线,可以通过变形和损坏来消耗撞击能量；而加强区域是硬化区域，可以抵抗部分撞击力通过。因此，车辆前部撞击产生的撞击力，经过前侧梁的吸收和抵抗，传递至乘员室的撞击力越来越小，最大化地为乘员区域提供了保证。,学习任务一,四车身结构的能量吸收及加强区布置,2车身不同部位能量吸收分析,1)水平撞击时前侧梁能量吸收分析 FR车辆前侧梁能量吸收区域如图4- 24所示。 分析：从图4 - 24可以看出，当水平撞击力F作用于FR车辆的A部位时，A、B、C部位产生变形吸收撞击能量；当撞

15、击力到达,图424 FR车辆前侧梁能量吸收区域,D部位时，将改变方向而到达E部位，撞击力对下隔板及主车底板造成损伤，阻止撞击能量在更大范围内传播。,学习任务一,四 车身结构的能量吸收及加强区布置,2车身不同部位能量吸收分析,图425非水平撞击时前侧梁 能量吸收分析,4 - 24类似。但当撞击力较大时，D部位产生的损伤远远大于单一的水平撞击，因为垂直的撞击力F1与D点形成弯曲力矩，会对D部位造成综合损坏。,学习任务一,四车身结构的能量吸收及加强区布置,2车身不同部位能量吸收分析,3)上部车身能量吸收分析 分析：从图4 - 26可以看出，如果撞击力发生在车辆的上部，则在撞击力传导的过程中，较弱的B

16、、C部位会损坏而吸收部分撞击能量。撞击力传递至D部位后，会因波纹效应影响前,车身立柱和顶板纵梁，前车身立柱以其下端与车门槛板的连接点作为支点向后倾斜，导致常见的车门缝隙变化。当撞击力传递至E部位时，波纹效应会因挡风玻璃的安装形式不同而略有变化，如图4 -27所示。,图426 上部车身能量吸收分析,学习任务一,四车身结构的能量吸收及加强区布置,2车身不同部位能量吸收分析,如果挡风玻璃是粘着式的，则撞击力会分布在整个区域；若挡风玻璃是密封条式的，则撞击力在E部位产生的损伤比粘着式的更大。当然，不管挡风玻璃是哪种安装形式，E部位往上推会造成顶板纵梁、挡风玻璃框架、车顶钢板向上变形，从而造成车门中柱上端和车顶连接处产生扭曲变形。,图427撞击力传导至 挡风玻璃时产生的变形,学习任务一,四车身结构的能量吸收及加强区布置,2车身不同部位能量吸收分析,图4 - 28 悬浮式燃油箱的布置形式,车底板侧梁被设计成刚性较强的结构，不易变形，一旦发生后部撞击，后侧梁后端如果弱化，则后侧梁后端