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1、第三章、车身结构拓扑模型与力学模型,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,18:32:41,2,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,18:32:41,3,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,18:32:41,4,白车身的设计要求,基本功能要求 安装、固定、连接、密封等 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 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,18:32:41,5,白车身的设计要求,轻量化和低成本 结构轻量化 轻质材料 高强度材料 遵循总
3、布置尺寸约束 基于平台的系列设计 模块化、通用化、平台化 满足车身制造要求 质量和可靠性 加工（工艺）、装配,18:32:41,6,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,18:32:41,7,（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
4、-散热器支架 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,18:32:41,8,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
5、间的高级轿车上,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,18:32:41,9,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,18:32:41,10,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
6、部（车门和门柱），只有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,18:32:41,11,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,18:32:41,12,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
7、仍为非承载式,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,18:32:41,13,（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,18:32:41,14,（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,18:32:41,15,主要部分板厚0.914mm 前后悬架支点部分板厚1.299、1.626、2.032mm,
8、（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,18:32:41,16,（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,18:32:41,17,第一节 作用
9、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）承载式车身 例,18:32:41,18,（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,18:32:41,19,（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,18:32:41,20,（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
10、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,18:32:41,21,（一）典型路况下车身所受载荷 动荷系数 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,18:32:41,22,（一）典型路况下车身所受
11、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，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,18:32:41,23,（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,18:32:41,24,（一）典型路
12、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,18:32:41,25,1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,18:32:41,26,1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
13、的载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架上的载荷,18:32:41,27,2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,18:32:41,28,2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,18:32:41,29,实际汽车行驶时，承载系统在六个自由度方向运动，各点的
14、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载荷 一、车身结构承载型式 二、作用在车身、车架上的载荷,18:32:41,30,（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、
15、作用在车身、车架上的载荷,18:32:41,31,（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：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,18:32:41,32,（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
16、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,18:32:41,33,（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,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,18:32:41,34,（三）标准载荷G载荷 用途：一般用于已建立车身拓扑模型和几何参数模型的车身设计阶段，通过计算可得指导性的应力信息 检查在G载荷作用下的结构强度和刚度时，取许用应力为材料的屈服极限 应力分布图初步提供了可能影响寿命的潜在的高危区域信息,
