汽車車身設計-第四章

第四章、車身結構剛度和動力學性能設計*1提綱第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度第二節(jié)

車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計第三節(jié)結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結*2車身:薄壁結構元件組成、多自由度彈性系統(tǒng)，在外界鼓勵作用下將產生變形，引起系統(tǒng)的振動當外界激振頻率與系統(tǒng)固有頻率接近，或成倍數(shù)關系時，將發(fā)生共振振動/共振的影響使乘員感到很不舒適帶來噪聲和部件的疲勞損壞破壞車身外表的防護層和車身的密封性，從而削弱抗腐蝕性能*3高剛度、輕重量成為當今汽車設計追求的目標高剛度車輛振動特性與車身剛度密切相關有利于懸架對車身的支持，使車輛系統(tǒng)正常工作有利于改進振動特性輕量化節(jié)能、環(huán)保提高汽車動力性、經濟性提高汽車的操縱穩(wěn)定性〔懸架上的橫擺慣量減小〕*4如何到達高剛度/輕重量采用適宜的材料，如：高強度鋼車身結構動力學設計與結構動力學相關的根底性能主要是車身剛度特性靜剛度動剛度車身剛度最終影響汽車的目標性能NVH〔Noise、Vibration、Harshness〕特性用戶界面點響應〔振動加速度、振幅、頻率〕噪聲〔界面點、外部〕界面點：轉向盤、地板、座椅、耳旁、踏板車身結構耐久性〔Durability〕*5車身結構剛度和動力學性能設計一般過程：1〕選定當前有競爭力的同類車型，對性能進行對標分析2〕對新設計提出具體目標要求3〕實施車身拓撲構造技術，選擇結構方案4〕建立車身CAE模型5〕結構優(yōu)化，直至獲得滿足目標性能各方面要求的最正確方案6〕試驗驗證7〕完善化8〕結論—產品設計的全面評估*6車身剛度整體剛度主要決定于部件的布置和車身結構設計局部剛度主要是安裝部位和連接部位的剛度決定于局部車身結構斷面形狀和采用加強結構等第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*7車身剛度設計是滿足車身結構動力學要求的根底車身剛度設計一般內容剛度測試和分析車身整體剛度設計車身局部剛度設計第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*8車身的剛度在整車剛度中占有很大成份，所以尤其要注意車身剛度的影響第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*9整車彎曲剛度整車扭轉剛度整車剛度和部件剛度的奉獻可以通過測量獲得，方法簡述如下：1〕整車彎曲剛度：在車身側圍門檻中段對稱施加垂直載荷，測量底架的垂直位移2〕整車扭轉剛度：在左、右前車輪與地面接觸處施加方向相反的力，形成一扭矩，測量底架的垂直位移3〕每個部件的奉獻：通過逐個撤除部件而測得的結果與整車剛度進行比較第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度車輛部件的剛度奉獻實例車身的剛度奉獻最大；前懸架橫梁，前風窗和后背門有超過10%的奉獻，“其它〞部件奉獻很小*10車身剛度測量裝置a)測量彎曲剛度〔左、右同向加載Fb〕b)測量扭轉剛度〔左、右反向加載Fd〕第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*11樣車的固定及安裝調整白車身按實車裝配副車架、前后懸架裝置螺旋彈簧和減振器鎖死或用剛性件代替將轉向節(jié)經夾具與前軸支架的橫梁連接，將后橋直接固定在后軸支架上，再對整車進行水平調整第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*12固定形式〔左后輪〕固定形式〔右前輪〕洞口變形測量加載方式-彎曲加標準分布載荷，或在車身中部附件一點或兩點加集中載荷等第一種方法主要用來考察車門開口局部的變形，大多與靜強度試驗一起進行第二種方法那么用來求車身的剛度值額定滿載、超載、均布、或集中載荷金屬重塊、沙袋、加載裝置加載方式-扭轉固定后軸中心位置，由前軸中心加扭矩固定車身后端，由前端加扭矩按照上兩種情況同時加扭矩等整車的支撐加扭是通過升高或降低某一車輪支撐使被測車使四個車輪不處于同一平面實現(xiàn)的，骨架車身那么通過扭轉試驗臺第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*13測點的選擇測點分布在車身主要承載部件上〔前后縱梁下方、門檻梁下方、前排座椅處底板下部、前圍板下部〕，間距300mm在測點處布置位移傳感器，測量車身彎曲變形時產生的垂直變形，在前后窗口、左側門洞口布置對角線測規(guī)測量對角線變化安裝間隙的消除試驗前對已裝在試驗臺架上的樣車以最大載荷的一半預加載一次，而后卸載，以消除安裝間隙第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*14評價指標彎曲第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*15各部位變形量要求評價指標扭轉第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*16各部位變形量要求測量結果-底架梁變形曲線第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*17根據(jù)對已有車型的試驗分析，研究整車剛度的匹配和車身剛度的匹配通過對標分析，為新車型的剛度指標提供參考當新車型各主要部件的結構和剛度匹配確定后，即可獲得車身的初步目標剛度指標彎曲剛度和扭轉剛度模態(tài)頻率要求分析車身各子部件對車身剛度的奉獻，進而確定部件的剛度指標第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*18例：前風窗由頂蓋前橫梁，風窗下橫梁、A柱及玻璃等組成在車身經受扭轉時阻抗四邊形變形，對整車扭轉剛度奉獻達15%，對整車彎曲剛度奉獻為6%加強A柱橫截面和頂蓋前橫梁截面，以及加強A柱上、下接頭的剛度很有意義第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*19例：地板的中間通道構件對整車彎曲剛度奉獻8%，對扭轉剛度奉獻7%，奉獻來自于它有約束通道橫向張開作用的通道橫向構件增加通道橫向構件能使通道更好地起到承載結構件的作用第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*20車身整體剛度主要指車身的彎曲剛度和扭轉剛度第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*21車身整體剛度的開展趨勢良好的車身剛度能防止結構在載荷作用下產生大的變形例：轉向柱或座椅等大的位移，或車身結構與車室內空腔發(fā)生聲固耦合的變化而引發(fā)高的噪聲良好的整體剛度，尤其是扭轉剛度，也是汽車操縱性所要求的第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*22車身整體剛度設計方法〔一〕構造車身根本結構，建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*23在概念設計階段，結構設計可以基于當前有競爭力的參考車型結構，考慮材料、工藝等先進技術的采用，顧及車輛總體布置和造型的要求。在數(shù)據(jù)庫支持下初步建立結構拓撲〔布局〕和幾何尺寸的CAD模型第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*24為了分析結構剛度，需要根據(jù)結構的CAD模型，建立有限元概念分析模型概念設計時采用簡化的有限元分析模型設計參數(shù)少，便于在結構優(yōu)化中反復迭代計算周期短，還便于結構修改例：基于參數(shù)的PBM模型是很好的簡化模型第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*25結構概念設計階段是對結構不斷優(yōu)化的過程通過優(yōu)化計算和經驗設計，適時修改模型；直到模型的各局部的性質得到合理的匹配，滿足總的剛度設計目標；并同時顧及設計、制造等其他要求優(yōu)化后模型的各局部性質就是下一步車身詳細設計的指南如PBM：反復計算和修改PBM直到滿足性能目標要求的過程就是優(yōu)化過程第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*261.優(yōu)化目標車身剛度優(yōu)化的目標是高剛度/輕重量剛度要求對標確定的靜剛度指標車身結構的一階彎曲、一階扭轉模態(tài)頻率一階頻率與車身剛度和質量密切相關，并以很大的成份影響車身的動態(tài)特性輕重量設計通過應變能計算和分析每個組件〔或局部材料〕的奉獻對一些變形大或應變能大的零部件采用加強板，改變截面尺寸或增加板厚，而對應變能小的零件可以撤除或減小板料厚度第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*272.靈敏度〔Sensitivities〕和靈敏度分析量化研究靈敏度，選擇較靈敏的變量或部位進行修改，引導結構優(yōu)化的方向構件截面特性對材料幾何尺寸變化的靈敏度接頭剛度對材料幾何尺寸變化的靈敏度結構整體剛度對截面特性、接頭剛度、板厚變化的靈敏度第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*28第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*29第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度由薄板圍成的截面其板厚變化只是微量的改變〔攝動〕，因此，慣性矩增量和板厚增量之間的關系可近似為線性當截面外形尺寸已定，可以通過改變組成截面的各零件板厚，找到對截面特性最靈敏的零件，以便優(yōu)化獲得滿足慣性矩要求的最小材料面積；或在限定的材料面積下，提高截面慣性矩，從而提高車身剛度*30第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*31第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*32第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*33第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*343.整車接頭優(yōu)化①根據(jù)競爭車型對標分析結果，確定新車型的車身NVH性能水平，并初步分派各接頭剛度指標②參考樣車和經驗數(shù)據(jù)，進行接頭初步構造和尺寸選擇③建立接頭剛度約束下的板厚〔本錢、重量〕優(yōu)化模型第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*353.整車接頭優(yōu)化④根據(jù)材料單價和重量，估算初步設計接頭的總本錢，提出優(yōu)化價格目標——本錢約束⑤基于沖壓的可行性和工程判斷決定板厚的上限和下限——尺寸約束⑥對各接頭進行剛度關于板厚的靈敏度分析。對不靈敏的零件減重〔減小板厚〕；對靈敏的零件作為提高剛度的對象第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*363.整車接頭優(yōu)化⑦輸入量，在約束變量的限制下迭代計算，最終收斂于一個可行解，輸出新的接頭總本錢、重量和剛度值。然后對新的結構進行CAE計算，評估是否滿足整車的目標性能要求如果滿足那么釋放設計的零件反之，根據(jù)新的接頭剛度及其靈敏度需再調整尺寸或本錢約束條件，再進行分析和評估，直到滿意為止第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*373.整車接頭優(yōu)化-實例用上述方法對車身結構的5個接頭進行優(yōu)化1-A柱到頂蓋2-B柱到頂蓋3-B柱到門檻4-鉸鏈柱到門檻5-A柱到鉸鏈柱〕包括23個車身板零件分析的目標：在低本錢下滿足接頭目標剛度要求計算接頭關于板厚的靈敏度，并對靈敏度小的零件減小板厚。優(yōu)化結果見表4-1，由于減小了一些零件的板厚(Δt為負值)，使本錢節(jié)約8.77美元，而接頭剛度卻有所提高。然后應根據(jù)新的接頭剛度驗算車身性能第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*383.整車接頭優(yōu)化-實例結果第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*39車身整體剛度設計過程總結1〕對競爭車型測試參數(shù)；2〕剛度研究，注意到整車剛度匹配和車身剛度的匹配，分派各子系統(tǒng)剛度指標；3〕初步構造結構，并建立系統(tǒng)簡化分析模型；4〕結構計算研究，包括靜態(tài)扭轉剛度和彎曲剛度計算車身一階彎曲和扭轉模態(tài)頻率通過靈敏度分析和應變能分布圖，進行各部件的奉獻分析，在此根底上進行平衡，再布置構件確定根本尺寸5〕通過優(yōu)化計算，獲得最小重量下的位移、應力、模態(tài)頻率。為滿足目標剛度要求，需要屢次反復修改結構6〕建立細化模型，詳細結構設計并驗證性能第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*40車身整體剛度設計過程總結簡化的參數(shù)化模型不能用于細化結構形狀的評估或進一步研究細小重量的減輕一定要建立全網(wǎng)格板單元模型；用它可以提高計算結果的精確性并充分地探討零件的形狀第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計〔一〕構造車身根本結構，并建立概念設計模型〔二〕車身剛度優(yōu)化三、車身局部剛度*41概念：車身局部剛度指車身結構安裝和效勞部位的剛度懸架、發(fā)動機、傳動系的安裝部位拖鉤、吊掛、裝運、千斤頂作用部位平安帶固定器安裝部位等第一節(jié)

車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度*42懸架支承部位的支座〔Mount，懸置〕剛度是車身結構重要的安裝部位剛度該部位良好的局部剛度可防止載荷通過懸架、動力總成安裝點進入車身時發(fā)生大的變形，并便于這些總成和車身結構之間的支承和協(xié)調第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*43一般根據(jù)車身支承件〔懸架彈簧〕的剛度決定車身結構支座區(qū)域的目標剛度基于車身耐久性的考慮，根據(jù)國外經驗，有人推薦車身支座區(qū)域的目標剛度取為相應的支承件剛度的5倍第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*44在車身剛度設計時，必須對支座區(qū)域剛度進行有限元分析，計算這個區(qū)域車身坐標系XYZ三個方向的剛度和應力計算模型是從白車身模型上截割下來的，截割區(qū)域大小有統(tǒng)一的規(guī)定第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*45例：車身支座模型Z方向的剛度一般遠小于其它兩個方向的剛度支座結構Z方向剛度對車身結構的動力響應和耐久性影響很大，在車身結構設計時必須將它的剛度值與現(xiàn)有車型進行比較，通過安裝點的動力傳遞率〔點機械導納PointMobility〕計算和車身NVH性能驗算來確定方案；最后還要計算疲勞應力XY平面內的剛度也要適當考慮車身橫擺、后碰撞等對支座結構剛度的要求第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*46大型板殼零件〔如地板、擋板、頂蓋等〕的剛度缺乏，不僅易引發(fā)板的振動，尤其是發(fā)生共振時板的低頻響應使車身內部產生很大的噪聲，令人感覺很不舒適，還會造成部件的疲勞損壞零件剛度差會給生產、搬運等都帶來困難設計板殼零件尤其要注意提高零件的剛度第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*47設計上的考慮板殼零件的剛度取決于零件的板厚及形狀曲面和棱線等的造型及拉延成型過程零件材料的冷作硬化，對提高剛度有利，平直的零件造型是不可取的第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*48設計上的考慮可在內部大型板件和不顯露的外覆蓋件上沖壓出各種形狀的加強筋在平的或稍鼓起的零件上，沿零件對角線方向布置加強筋可以使零件在所有方向剛度得到提高采用交叉筋時要防止交叉處產生大的應力集中在交叉處用半徑大于2倍筋寬度的圓弧來過渡，或者不用交叉筋，如圖a第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*49設計上的考慮加強筋〔Cont.〕排列加強筋要不能有通過筋間的空間直線如圖b。由于存在x—x或y—y方向直線空間，不能到達增強剛性的目的;而圖c的布置方式較好為減輕彎曲零件的回彈，可以垂直于零件的彎曲軸線方向布置條形筋，見圖d，或在彎曲部位壓出三角筋筋的剛度主要取決于它的形狀。為防止拉延時破裂，深度不宜太大，原那么上應滿足板料拉延成型所允許的條件第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*50設計上的考慮加強筋〔Cont.〕加強筋的軸線宜直，否那么在振動時會引起扭轉。為防止大的應力，要注意設計筋兩端出口的形狀。見圖第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*51設計上的考慮假設外覆蓋件上不允許出現(xiàn)加強筋，可以在零件上貼裝加強板，如圖a所示可用沉孔來加強剛度，見圖b。沉孔還可以提高零件焊接過程中的操作性和接近性，又可減輕重量。加工沉孔是先壓延后沖孔第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*52當受力桿件的截面發(fā)生突變時，就會由于剛度突變引起截面變化處應力集中應力集中可能誘發(fā)進展性裂縫，導致疲勞損壞，是車身結構損壞的原因之一在結構設計時要防止截面急劇變化，特別是要注意加強板和接頭設計時剛度的逐步變化第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*53例：為了加強底架縱梁彎曲局部的剛度和強度，在梁上裝一加強梁，但由于在加強梁兩端a-a和b-b處剛度突變，易出現(xiàn)應力集中而斷裂假設將加強梁兩端的形狀改為類似雙曲線形〔如虛線所示〕，那么這種加固會使應力均勻些當縱梁從封閉截面過渡到開口截面時，加強梁端部也應作類似處理，或者由縱梁腹板逐漸過渡到加強梁腹板〔圖b〕假設不采用加強梁，而將縱梁截面逐漸加高，從加強的觀點看效果最好，并可減輕質量〔圖c〕，在梁截面的中心線附近沖孔不僅減輕質量，面且對強度影響很小第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*54車身承載桿件上往往需要開一些孔洞，以便安裝各種導線、管道和機構等這些孔洞將產生應力集中開一個大孔要比開數(shù)個小孔應力集中更嚴重應盡可能將孔位選在應力較小的部位，如截面中性軸附近第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*55在車身上有許多受有集中力需要使用加強板的部位，如固定車門鉸鏈的地方、懸掛操縱踏板處等。應合理設計加強板的大小和厚度加強板太小，缺乏以將集中載荷通過加強板分散到較大的面積上；加強板太大那么會增加質量加強板厚度比被加強件的板料厚，但厚度不宜相差太懸殊，否那么在加強板邊緣由于剛度突變會引起應力集中而出現(xiàn)裂紋，且對焊接強度也是不利的第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*56前、后懸架在車身上的固定點是載荷的傳入點。由于力流集中，要非常細心地處理車身支承部件〔前、后輪罩〕的設計為起到良好的支承作用，將輪罩零件板厚分級，即支承部位板厚逐級加大；或采用拼焊板，既加強剛度，又控制了應力集中第一節(jié)車身結構剛度設計一、剛度測試和分析二、車身整體剛度設計三、車身局部剛度〔一〕車身支承部位剛度〔二〕板殼零件剛度〔三〕防止結構中的應力集中*57無阻尼單自由度系統(tǒng)在初始鼓勵作用下，將以固有頻率在某一種自然狀態(tài)下進行振動多自由度系統(tǒng)具有與自由度數(shù)相等數(shù)量的位移形狀—固有振型每種振型對應有唯一的固有頻率系統(tǒng)的振動特性可用固有頻率和固有振型來表示無阻尼自由振動系統(tǒng)的特性分析又稱模態(tài)分析，模態(tài)概念是振型概念的推廣第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*58車身的振動特性分析基于有限元法和線性振動理論根據(jù)結構的有限元模型所用單元的剛度特性，組合整體剛度矩陣[K]；將各單元的均布質量和阻尼集中到單元的各節(jié)點上，組合成結構總質量矩陣[M]以及結構的總阻尼矩陣[C]隨時間變化的外載荷也都移置到相應的節(jié)點上，形成載荷列陣{P(t)}應用虛功原理寫出有限個自由度的彈性系統(tǒng)的振動方程第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*59車身的振動特性分析第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*60車身的振動特性分析1．車身整體振動模態(tài)無阻尼線性系統(tǒng)的一般運動都可以表達為各階固有振型的線性組合對應于較低頻率的固有振型〔低階振型〕，對構件的動力影響大于高階振型，也就是說，低階成分的振幅較大；且求解系統(tǒng)的高階特征值，勢必花費更多計算機時一般車身工程結構，在模態(tài)分析時只求低階的振動頻率和振型；除非研究NVH特性時需要計算中、高階頻率第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*61車身的振動特性分析1．車身整體振動模態(tài)車身系統(tǒng)的低階振型可能是扭轉振型或彎曲振型某些大型轎車的非承載式車身結構，最低階的振動有可能是低于20Hz的扭轉振動整體扭轉剛度較大的車身結構，最低階振型有可能是車身的垂直彎曲振型例承載式車身一般要求一階扭轉頻率大于30Hz，一階彎曲頻率大于40Hz第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計一階彎曲振型〔兩個節(jié)點，頻率為20~40Hz〕二階彎曲振型〔三個節(jié)點，頻率為30~50Hz〕*62車身的振動特性分析1．車身整體振動模態(tài)轎車各局部的固有振動頻率和激振頻率的分布圖〔假設各子系統(tǒng)固有頻率是不耦合的〕第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*63車身的振動特性分析1．車身整體振動模態(tài)轎車各局部的固有振動頻率和激振頻率的分布圖車身低階模態(tài)頻率大致在20~50Hz。汽車在輪胎上的振動頻率及發(fā)動機在其懸置上的振動頻率等，與車身低階模態(tài)頻率很接近，車身設計要非常注重結構低階模態(tài)頻率的設計注意提高車身整體的剛度和部件剛度修改結構，使車身或部件的模態(tài)頻率避開鼓勵頻率，防止共振通過模態(tài)振型可以判斷出車身振動變形較小的部位；在這個部位〔節(jié)點處〕振動響應較小，如果將動力總成等的懸置點設置在這些部位，從隔振的角度看是有利的在車身裝上內飾件后，車身的扭轉和彎曲頻率最多可分別下降15%和25%第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*64車身的振動特性分析2．部件模態(tài)分析設計車身部件剛度時，往往需要對結構方案進行分析比較如果車身剛度分布不均衡，不適應質量分布，其模態(tài)頻率就會下降例：假設轎車前車身開口局部〔裝有集中質量的車頭〕與乘員室連接處的彎曲剛度較弱當不平路面鼓勵引起的汽車在懸架上的振動頻率與車身整體模態(tài)頻率接近時，就會產生前車身抖動〔彎曲振型的組合〕第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*65車身的振動特性分析2．部件模態(tài)分析-實例：前車身結構分析從三種車型的有限元模型上切割下前車身,在切割處約束全部自由度

對三種模型進行模態(tài)分析,確定新車型前車身的設計剛度和模態(tài)頻率是否滿足要求第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*66車身的振動特性分析2．部件模態(tài)分析-實例：前車身結構分析分析比較的內容:前五階正交模態(tài)四種工況靜剛度，包括：扭轉剛度和整體坐標X、Y、Z方向的彎曲剛度扭轉剛度計算時，單位載荷沿正、負Z方向，分別作用于車身模型的左、右前支承處彎曲剛度計算時，單位載荷分別沿X、Y、Z方向作用于車身模型的兩個前支承處第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*67車身的振動特性分析2．部件模態(tài)分析-實例：前車身結構分析按原來車型車頭結構設計新車型不能滿足NVH性能要求根據(jù)計算所得模態(tài)應變能圖和鄰近外表的變形圖可以看出，前車身橫向彎曲模態(tài)頻率低的原因主要是由于車室與前車身結構之間繞垂直軸的剛度缺乏所致第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*68車身的振動特性分析2．部件模態(tài)分析-實例：前車身結構分析采用加強車頭與車室連接部位的剛度，或改變該處載荷路徑使力流分散的方法，可使新設計車型前端剛度和橫向模態(tài)頻率大大提高加強后的新車型前車身的前兩階模態(tài)頻率要比原車型和競爭車型高很多，而重量卻比原車型低了4.7公斤第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*69車身的振動特性分析3．車身板殼的局部振動模態(tài)剛度差的大型覆蓋件容易在振源鼓勵〔例如發(fā)動機的振動、汽車行駛時傳動系的共振、噪聲波的沖擊等〕的作用下，引起板殼的強迫振動當激振頻率接近車身內外板的固有振動頻率時將發(fā)生板殼共振車身大型板件共振頻率通常在40~300Hz，或處于更高的范圍板件振動造成的輻射聲和車室內空腔體積的變化，引起氣動壓力變動，是產生車內噪聲的重要原因例如：轎車地板的共振頻率在50~60Hz左右，共振時發(fā)生敲鼓式的聲響第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*70車身的振動特性分析3．車身板殼的局部振動模態(tài)第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*71車身的振動特性分析3．車身板殼的局部振動模態(tài)第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*72動力學分析如果計算系統(tǒng)在鼓勵下的響應，即求方程的通解，它是由齊次方程的通解與非齊次方程的特解疊加而得應采用車身整備模型〔即包括在汽車上所有非結構的標準裝備質量的模型〕，并輸入激振力或道路功率譜密度響應：速度、加速度、位移、應力時間歷程分析〔振型疊加法、直接積分法等〕響應譜分析〔模態(tài)響應〕頻率響應分析第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*73試驗模態(tài)分析是通過振動模態(tài)試驗獲得表征結構動態(tài)特性的模態(tài)參數(shù)的一種動態(tài)分析方法對于結構動態(tài)特性的預測、測試和修改，試驗模態(tài)分析是最重要的技術之一通過對結構的模態(tài)試驗獲得模態(tài)參數(shù),為結構設計和改型提供動態(tài)根本參數(shù),進行結構的振動特性分析和優(yōu)化設計等模態(tài)分析的關鍵是獲得精度高,可信度高的頻率響應函數(shù)第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*74第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*75傳遞函數(shù)通常用于單輸入、單輸出的系統(tǒng)，主要用在信號處理、通信理論、控制理論傳遞函數(shù)經常用于線性時不變系統(tǒng)〔LTI〕實際系統(tǒng)根本都有非線性的輸入輸出特性，但是許多系統(tǒng)在標稱參數(shù)范圍內的運行狀態(tài)非常接近于線性，所以完全可以應用線性時不變系統(tǒng)理論表示其輸入輸出行為第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*76傳遞函數(shù)對于最簡單的連續(xù)時間輸入信號x(t)和輸出信號y(t)來說，傳遞函數(shù)所反映的就是零狀態(tài)條件下輸入信號的拉普拉斯變換

X(s)與輸出信號的拉普拉斯變換

Y(s)之間的線性映射關系H(s)就是此線性時不變系統(tǒng)的傳遞函數(shù)第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*77頻響函數(shù)在信號分析與處理中，通常感興趣的系統(tǒng)的頻率響應，這時候經常使用頻響函數(shù)來表示系統(tǒng)對于不同頻率諧波的響應特征頻響函數(shù)通常用傅里葉變換表示，傅里葉變換是s

=jω的雙邊拉普拉斯變換的一個特例頻率響應H(jω)可分解為幅頻響應A(ω)和相頻響應φ(ω)頻響函數(shù)實際上是線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應分量，只有再加上瞬態(tài)響應分量，才構成系統(tǒng)的全響應，即系統(tǒng)的傳遞函數(shù)第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*78測試系統(tǒng)的組成汽車模態(tài)測試中主要應用單點激振分析單點激振模態(tài)測試系統(tǒng)組成：激振局部,包括信號發(fā)生器、功率放大器和激振器等信號測量和數(shù)據(jù)采集記錄局部,包括加速度傳感器、阻抗頭、電荷放大器和A/D數(shù)據(jù)轉換和記錄裝置等信號分析和頻響函數(shù)估計局部,由模態(tài)分析軟件和計算機硬件組成第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*79測試結構的支承結構在實際的工作環(huán)境中總是處于一定的約束狀態(tài),因此試驗時首選模擬真實約束狀態(tài)的支承方式注意要使鉸支等地面支承的根底剛度足夠大,一般要求振動響應只包含數(shù)萬赫茲以上的頻率成分如果難以實現(xiàn),那么要考慮替代支承方式替代支承方式常常是模擬自由狀態(tài)的軟懸掛支承方法軟懸掛可以通過彈性繩吊掛或利用彈性根底來實現(xiàn)要保證剛體模態(tài)的最低階頻率低于結構自身第一階彈性模態(tài)頻率的10%～20%使可能參與振動的質量盡可能小第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*80結構激振激振方法多點激振：有助于提高測試結果的精度,但通常采用單點激振也可滿足測試要求單點激振：激振位置固定不變,激振器夾具的操作和調整比較省力激振器分為接觸式的激振器和非接觸式的鼓勵錘激振器：優(yōu)點：可根據(jù)各種鼓勵信號對結構進行激振缺乏：連接結構復雜,運動部件參數(shù)會影響測試結果鼓勵錘：簡單實用,可提供脈沖鼓勵信號由錘頭、力傳感器，附加質量和錘柄組成。錘頭選用不同的材料、質量、硬度、速度和作用時間，可使脈沖頻譜的寬度不同優(yōu)點：快速簡便,適合于外場測試缺點：鼓勵能量難以控制,鼓勵幅值受限制第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*81結構激振鼓勵信號模態(tài)試驗對鼓勵信號的要求包含足夠的鼓勵成分有足夠的幅值水平在結構存在微小非線性因素時,具有一定的抗干擾能力常用的鼓勵信號是正弦鼓勵信號(掃頻和步進)、隨機鼓勵信號(寬帶、周期和瞬態(tài))與脈沖信號各種鼓勵信號各有優(yōu)缺點,應該結合實際情況合理選用,選擇時需要綜合考慮多種因素決定激振位置激振點選擇的總原那么：使激振力易于向結構的各個部位傳遞避開振動節(jié)點、結構薄弱環(huán)節(jié)和支承點安裝方便第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*82結構激振激振器的安裝底座應與剛性好的根底剛性結合在一起,運動局部與被激振結構連接在一起為保證激振力的單向傳遞和對激振器的“過載保護〞作用,應在激振器和力傳感器之間增加具有足夠大縱向剛度與很小側向剛度的連接桿,并施以適當?shù)念A緊力第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*83傳感器及其安裝模態(tài)試驗對傳感器的根本要求動態(tài)范圍寬工作頻段寬,低頻性能好抗干擾能力強靈敏度好,線性度好體積小,質量小一般測量動態(tài)響應采用壓電式加速度傳感器,測量鼓勵力采用阻抗頭壓電式傳感器，利用壓電晶體的壓電效應將機械量〔力、加速度〕轉換為電荷量，經電荷放大器放大并以電壓量輸出采用壓電式傳感器時，需要與其配備前置放大器。放大器分電壓放大器和電荷放大器傳感器的安裝應保證,具有足夠剛性且不增加結構質量的前提下,測量規(guī)定方向的真實制動信號。需要根據(jù)測試要求和實際情況合理選擇固定方式第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*84響應測點布置測點位置、數(shù)目和測振方向確定的根本原那么：能明確顯示研究頻率范圍內的結構模態(tài)振型保證研究的關鍵點在測點范圍內測量方向一般與激振方向一致第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*85試驗模態(tài)分析應用第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*86試驗模態(tài)分析應用車身振動模態(tài)是結構的固有特性，白車身振動測試〔模態(tài)識別〕大多采用自由—自由方法，也就是說可用軟底座支承或軟彈簧懸掛，使剛體模態(tài)頻率接近于零標準車身裝備的振動模態(tài)識別一般是采用支承-支承方式，測試時用輪胎和懸架裝置支承第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*87應用試驗模態(tài)分析驗證和修改CAE模型第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性〔一〕振動模態(tài)分析〔二〕車身振動響應分析〔三〕振動特性測試二、車身結構動力學性能設計*88車身剛度和模態(tài)都不是最終的評價指標汽車的性能指標應表達在實際汽車使用性能的最終綜合水平在設計的最初階段，應對有競爭力的同類車型進行實際考察和評價，并具體測量駕駛員界面點的振動響應特性第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*891．主觀評價汽車的乘坐舒適性最終表現(xiàn)為人體的感覺由專家實際駕駛和主觀評價的方法在汽車振動性能的研究中起著重要的作用對主觀評價認為最好的車型要進行客觀測量第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*901．主觀評價例：某公司新敞篷車設計，對7種競爭車型進行評價專家駕駛競爭車型，先后以低速、高速行駛于粗糙路面上選擇轉向盤、座椅、后視鏡等駕駛員界面特征點，對其振動特性進行主觀評價駕駛者對7種車型〔A、B、C、D、E、F、G〕在粗糙路面上對轉向柱振動打分，共分10級，第10級最好等級是以G型車為標準進行歸一化比較而得到，黑色帶是80%置信區(qū)間，可明顯標識出差異由圖可見，7種車型中對D型轉向柱振動特性的主觀評價最好第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*912．道路響應測量在與主觀評價時同樣的路面上對三種車型(包括原敞篷車、閉蓬車、硬頂D型車)的道路響應測量圖示了三種車型以72kph車速行駛時，在0~50Hz范圍內的轉向柱振動加速度響應。D型車的響應最低，證實了主觀評價的正確性第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*922．道路響應測量結構模態(tài)頻率是影響結構動力學性能和乘坐感覺的關鍵指標三種車型的一階振動模態(tài)頻率分別是：原敞篷車為13.9Hz(扭轉)、閉蓬車為16.1Hz(彎曲)、硬頂D型車為22.1Hz〔彎曲〕D型的一階模態(tài)頻率最高，這也是該車主觀感覺最好的主要原因第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*93根據(jù)測試同類競爭車型所獲得的指標，為新車設計提供了一個清晰的動力學性能水平NVH〔Noise、Vibration、Harshness〕特性用戶界面點響應〔振動加速度、振幅、頻率〕噪聲〔界面點、外部〕界面點：轉向盤、地板、座椅、耳旁、踏板質量從這個水平出發(fā)，考慮到其它要求，可確定各項性能指標，作為結構設計的指南第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*94其它性能要求，如：碰撞平安性遵守標準，碰撞空間和碰撞力的級別等用于指導碰撞區(qū)構件截面尺寸的選擇和結構設計耐久性例如，要求行駛10萬里結構不喪失功能特別注意懸架、傳動系和其他大部件支承處的強度和疲勞要求疲勞可靠性要求能經受住30萬里的當量里程布置、重量、工藝等第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*95關鍵：弄清整車性能要求與部件設計參數(shù)〔如構件布置尺寸、材料厚度和截面性質等〕間的關系PBM。PBM用于調整部件的性質，直到滿足整個結構性能要求這些部件性質確實定為結構設計指明了方向這個過程不能獲得確定的設計，只是為后續(xù)優(yōu)化設計提供一個初始方案第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*96所提出的車身動力學性能要求，應分派到各子系統(tǒng)和部件，由子系統(tǒng)和部件的性能保證將來整車性能目標的實現(xiàn)分派指標時需要做如下工作：1．模態(tài)研究與控制〔模態(tài)分布圖設計〕2．建立系統(tǒng)模型3．動力學計算分析4．分析流程5．性能平衡6．結構優(yōu)化第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*971．模態(tài)研究與控制〔模態(tài)分布圖設計〕車輛振動響應：車輛子系統(tǒng)和零部件的簡諧振動的函數(shù)，并與道路或發(fā)動機鼓勵等彼此作用的結果必須控制上述簡諧振動的頻率，使其互不耦合并避開通常的鼓勵頻率需要根據(jù)對標分析、數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)支持，設計一個模態(tài)分布圖標明頻域中各子系統(tǒng)的模態(tài)，及其與輸入〔鼓勵〕的關系對這些諧振特性和防止耦合的管理〔控制〕是建立低響應的根底第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*981．模態(tài)研究與控制〔模態(tài)分布圖設計〕例：某車型的模態(tài)圖模態(tài)間的線段指出了為使耦合最小而應該隔離的部件模態(tài)要注意一階車身垂直彎曲和扭轉模態(tài)頻率接近懸架和動力總成的固有頻率第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計激振頻率和子系統(tǒng)模態(tài)分布圖1.車身在懸架上2.人坐在座椅上3.乘員人體〔組織器官〕4.發(fā)動機在懸置上5.懸架子系統(tǒng)6.車身結構彎扭7.動力總成子系統(tǒng)8.轉向柱子系統(tǒng)9.風窗子系統(tǒng)*991．模態(tài)研究與控制〔模態(tài)分布圖設計〕模態(tài)研究與控制〔模態(tài)分布圖設計〕提供了制訂一系列子系統(tǒng)模態(tài)匹配的方法，為各子系統(tǒng)定下了振動特性的基調第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1002．建立系統(tǒng)模型在設計的各個階段,建立相應的系統(tǒng)有限元模型，用于計算和評估性能水平系統(tǒng)模型有如下幾類：①車身概念模型②整備車身模型③車輛系統(tǒng)模型第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1012．建立系統(tǒng)模型①車身概念模型早期模型通常是個簡化模型其結構參數(shù)少僅僅是描述白車身便于各方面的評估和完成概念設計用途選擇構造；該構造既要在剛度/質量方面具有潛力，又要考慮碰撞、耐久性、組裝和制造等方面的約束采用先進技術可行性分析研究概念模型是結構研制過程早期的集成可能存在有幾個概念模型版本，用于不同方案的比較第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1022．建立系統(tǒng)模型②整備車身模型(Trimmedbodymodel)概念模型一般不能用于分析動力響應性能。響應分析必須采用整備的車身模型將與結構無直接聯(lián)系的非結構質量，如電子系統(tǒng)，內、外附件，燃油系統(tǒng)等，按集中質量或分布質量附加到車身結構上的模型考慮地毯、內飾等結構的阻尼影響整備車身模型通常用于仿真計算和優(yōu)化構造研究第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1032．建立系統(tǒng)模型③車輛系統(tǒng)模型車輛系統(tǒng)模型=整備車身模型+所有用橡膠墊割開的子系統(tǒng)包含模態(tài)分布圖中全部諧振子系統(tǒng)和全部質量用于尋求適宜的車輛加速度響應在整車性能仿真計算時采用的車輛系統(tǒng)模型是整車剛彈耦合模型，或者多體動力學模型第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1043．動力學計算分析1〕正交模態(tài)計算系統(tǒng)模型中所有子系統(tǒng)的正交模態(tài)，并按模態(tài)分布圖進行匹配和設計調整，直到滿足模態(tài)要求尤其要注意車身一階彎曲模態(tài)和一階扭轉模態(tài)的目標要求第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1053．動力學計算分析2〕頻率響應有限元，計算駕駛員界面點的響應。并可與競爭車型的測試值進行振動幅值比較根據(jù)目標級要求，進行結構方案修改。尤其是對駕駛員很敏感的響應第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計例：轉向盤的抖動；為了降低響應，在設計時盡量提高轉向柱安裝支架的剛度，并增大上、下支架的距離L1，以避開怠速時發(fā)生共振*1063．動力學計算分析2〕頻率響應計算實例第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計懸架支承部位的車身結構局部剛度對車身動力響應影響很大在車身設計的第二階段還需要評價所有車身安裝點的傳遞特性進行分析*1073．動力學計算分析2〕頻率響應計算實例車身安裝點結構的兩種方案在100-400Hz的鼓勵頻率范圍內的速度響應分析結果，表示在x、y、z三個方向的速度響應級速度響應與參考速度響應比值的對數(shù)函數(shù)參考速度響為1mm/sec-NdB為負值說明通過車身安裝點能量衰減，所測得的速度響應低于參考響應值目標要求〔粗實線〕是根據(jù)NVH性能要求提出的。可見在y方向和z方向的100-190Hz鼓勵頻率范圍內，原車身安裝點結構的動力響應〔虛線〕沒有完全到達目標要求，會影響總體性能，新結構有了改進〔細實線〕在確定方案時應通過對系統(tǒng)NVH性能的驗證，再決定是否需要對該車身安裝點的局部剛度進行適當加強第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1083．動力學計算分析3〕靈敏度(Sensitivities)第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1093．動力學計算分析3〕靈敏度(Sensitivities)第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1103．動力學計算分析3〕靈敏度(Sensitivities)第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1113．動力學計算分析3〕靈敏度(Sensitivities)②靈敏度應用在結構動力學設計時，靈敏度用于引導車身模態(tài)頻率的設計第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1123．動力學計算分析3〕靈敏度(Sensitivities)②靈敏度應用例：接頭剛度對板厚的靈敏度分析；進而分析前幾階白車身振動模態(tài)對接頭剛度的靈敏度第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1133．動力學計算分析3〕靈敏度(Sensitivities)結論通過靈敏度分析將設計參數(shù)與部件性質聯(lián)系，使得可以從結構整體而不是分割地觀察結構。靈敏度信息很簡明，而且在研究復合響應和確定載荷路徑時很有用例：對鼓勵變形最靈敏的接頭是最危險的接頭剛度部件，應注意提高其剛度對相對變形大而且靈敏度低的接頭，那么說明結構的效率低，不能充分發(fā)揮作用，或者結構不連續(xù)，應該考慮重新設計如果靈敏度值比較均勻，說明設計中結構平衡較好第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1143．動力學計算分析3〕靈敏度(Sensitivities)結論系統(tǒng)模型也用于計算駕駛員界面響應對結構模態(tài)頻率的靈敏度；從中可看出對界面響應影響較大的子系統(tǒng)，或對于優(yōu)化子系統(tǒng)模態(tài)頻率最有效的修改結構的部位或修改方向例：某車型正碰保險杠時座椅軌道處加速度峰值和響應均方根值與結構一階彎曲和一階扭轉模態(tài)頻率的曲線關系峰值表示車輛結構彎曲和扭轉模態(tài)頻率應遠離17-20Hz第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計1-加速度峰值

2-響應均方根值圖中B10/T12表示彎曲頻率為10,扭轉頻率為12*1154．分析流程對于每個構造方案，其子系統(tǒng)和部件特性設計都需按順序進行，從初始設計、調整到完善第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1165．性能平衡設計和優(yōu)化每個子系統(tǒng)時，其結果有時不能滿足車輛的其它方面的要求，必須采取折衷的方法改變系統(tǒng)模型使車輛的各方面性能得以平衡所有設計決策都應在對整車的動力學性能影響具有定量認識前提下做出例：原設計方案采用墊片螺釘連接方式，方便、通用裝配廠要求將復雜的墊片螺釘連接方式改為采用粘接通過折衷，設計者同意選擇粘接方案，是因為認識到采用粘接能提高結構的模態(tài)頻率并減小重量性能平衡是很細致的工作，決策者對此有全面的認識第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1176．結構優(yōu)化利用有限元分析、設計靈敏度分析和數(shù)值優(yōu)化算法，迭代，更新結構設計參數(shù)適時更新設計靈敏度，確保有效收斂第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1186．結構優(yōu)化結構優(yōu)化用于車輛的整個開發(fā)過程設計初期注重高剛度/輕質量。設計后期優(yōu)化結構時，將碰撞性能、耐久性和其它非性能要求都作為分析整備車身模型時的約束條件為滿足碰撞和耐久性能的要求，以限制最小板厚為條件；為滿足布置要求〔如視野，油箱容積，室內空間、踏板布置，進出方便性等〕，往往限制梁、柱的截面或拓撲尺寸第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計將多方面要求集成在一個分析模型中進行質量優(yōu)化和性能評估*1196．結構優(yōu)化設計初期：利用簡化分析模型優(yōu)化設計的參數(shù)是截面尺寸、接頭剛度和零件板厚設計后期：利用板單元模型時截面或拓撲的尺寸已經定下來了，只有板厚是設計參數(shù)第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1206．結構優(yōu)化近幾年計算能力和軟件功能增強計算機容量和計算速度有很大開展自動劃分網(wǎng)格的軟件功能成熟模型的演變——設計早期不使用梁單元簡化模型，而直接建立板單元模擬的組合整體模型，用于結構性能優(yōu)化設計減少簡化模型帶來的一些技術的上麻煩提高設計和計算精度，縮短設計周期第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1216．結構優(yōu)化近幾年例：板單元模擬的組合整體模型，用于結構性能優(yōu)化設計第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1226．結構優(yōu)化近幾年例：板單元模擬的組合整體模型，用于結構性能優(yōu)化設計第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*1236．結構優(yōu)化近幾年例：板單元模擬的組合整體模型，用于結構性能優(yōu)化設計第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計*124結構設計分三個階段結構方案選擇結構研究結構設計完善前一個階段的成功為下一個階段設計奠定良好的根底共同特點都是圍繞車輛低階彎曲和扭轉模態(tài)頻率等性能要求進行研究第二節(jié)車身結構的動力學性能設計一、車身振動特性二、車身結構動力學性能設計〔一〕主觀評價和客觀測量〔二〕確定性能指標〔三〕性能綜合〔四〕結構動力學設計〔五〕結構設計左圖說明隨著設計完善，頻率范圍逐漸收斂*125某公司C5敞蓬車車身設計實例，說明結構設計的三個階段背景：根據(jù)對競爭車型水平的研究，公司提出了新設計敞蓬車的性能要求一階結構模態(tài)頻率是21Hz二階結構模態(tài)頻率不得小于23Hz這是一般轎車的水平，但對敞蓬車那么是史無前例的由調查的數(shù)據(jù)可知，與新設計車型尺寸類似的敞蓬車，一階扭轉模態(tài)頻率在11~17Hz。顯然，新設計要實現(xiàn)高水平的剛度/質量目標，必須對結構設計付出很大努力第三節(jié)

結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結*126設計C5的根底是C4敞蓬車，其一階結構模態(tài)頻率是13Hz，比目標低了8Hz設計者在最初階段基于競爭車型和原車型〔C4〕載荷路徑的了解，首先力圖改進C4的結構采用連續(xù)的通道結構焊接閉口截面的保險杠儀表板和座椅背后附加閉口截面橫梁有效地構造前后扭矩盒等這就形成了C4的四種不同的加強方案，使一階頻率提高4~6Hz四種方案中，對提高剛度/重量最有效的方案是采用地板的中間通道結構；雖然這個方案受到C4內部布置上的限制，但對C5設計指出了方向第三節(jié)

結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結*1271．結構方案比較和選擇結合參考競爭車型結構和新制造技術可行性的研究，提出了幾個新設計的結構方案所有這些方案都滿足總布置、制造、耐久性和碰撞平安性要求每個方案都在一階結構模態(tài)頻率為21Hz的約束條件下，進行最輕重量的優(yōu)化第三節(jié)

結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結*1281．結構方案比較和選擇三個方案1〕整體焊接框架構造；2〕螺釘連接車身構造方案；3〕通過橡膠墊連接車身的構造方案特點都有中間通道〔脊梁〕，但車身周邊梁與通道脊梁的連接方式不同方案c是非承載式車身。方案b是半承載式車身。方案a是承載式車身，將車身周邊框架和脊梁結合，成為一個連續(xù)縱梁、閉口截面構件和中央通道結構相結合的方案第三節(jié)

結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結*1291．結構方案比較和選擇1〕方案比較對三個構造方案，都建立最簡單的模型〔方案c有基于同一個底盤的四個版本C.1、C.2、C.3、C.4〕各方案初始截面尺寸和板厚相同，都采用原先C4的典型截面或參考樣車的經驗值，以此為根底進行優(yōu)化第三節(jié)

結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結*1301．結構方案比較和選擇1〕方案比較優(yōu)化結果第三節(jié)

結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結曲線1可見，整體框架結構的一階結構模態(tài)頻率約為方案C.4版本的模態(tài)頻率的兩倍；螺釘連接方案的一階頻率比整體框架結構的一階頻率低20%曲線2可見，C.4版本方案的一階結構模態(tài)優(yōu)化頻率不能超過18.5Hz，其它兩個方案在一階模態(tài)頻率均為23Hz時，螺釘連接結構方案重量要比整體框架結構重38kg曲線1—重量約束為300kg時使頻率最大化的結果曲線2—一階結構模態(tài)頻率都約束在23Hz時，對三個方案進行重量優(yōu)化的結果*1311．結構方案比較和選擇2〕方案選擇比較可見，周邊框架和通道結合的整體焊接框架結構的重量效率最高，且其構造明顯具有高剛度/輕重量的潛力。再考慮抗碰撞性，耐久性，以及布置、加工和本錢等要求，選擇整體框架結構作為新設計C5的結構方案第三節(jié)

結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結*132包含主要承載構件的初期結構草圖1．結構方案比較和選擇2〕方案選擇確定結構方案后，新設計的特征就固定下來表達在從前橫梁到后橫梁之間的連續(xù)縱梁及周邊框架的路徑布置，通道路徑和周邊梁之間的連接構件〔如剪力板、橫梁等〕的位置等下一步：研制詳細載荷路徑的尺寸和板厚，使其滿足所有車身結構性能要求第三節(jié)

結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結*1332.分析模型更新用于選擇車身結構方案的概念分析模型，只是車身拓撲結構粗模型，或是PBM模型中梁單元截面的初始參數(shù)值是參考先前C4典型截面或經驗值從這些截面尺寸和板厚的初始值出發(fā)開始結構拓撲優(yōu)化設計描述接頭的彈簧元或超單元的初始值由參考車型局部接頭的詳細模型導出如果在還沒有詳細的接頭模型，那么接頭剛度可參考先前類似結構的數(shù)據(jù)或經驗取用第三節(jié)

結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結*1342.分析模型更新隨著設計逐步細化，分析模型也并行地進行改版，使分析模型更詳細第三節(jié)

結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結*135結構概念設計階段靠近末期的概念分析模型〔PBM〕，是整備車身分析模型，但還不是詳細模型3.多目標優(yōu)化車輛結構的其它性能，如碰撞性能和耐久性等約束條件，再次被組合到整備車身分析模型用多目標集成方法，使結構概念集成在同一個分析模型中并進行優(yōu)化和評估，使重量最小化概念設計完成：載荷路徑、路徑的截面尺寸以及全部板結構的零件板厚都初步確定后第三節(jié)

結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結*1364．結構定義和詳細說明書為了確認結構概念設計，要提供一個結構詳細說明書根據(jù)優(yōu)化整備車身分析模型的結果，說明書要寫明到達剛度和重量要求的所有載荷路徑、相關尺寸和零件板厚度說明書列出四個圖表載荷路徑位置表：應列出在構造選擇階段所定義的結構布置，包括次要的載荷路徑載荷路徑截面性質表：規(guī)定所有載荷路徑的截面性質〔I、J、A—彎曲慣性矩、極慣性矩和截面積〕，不必要表示截面形狀接頭剛度說明表：定義結構載荷路徑之間所要求的接頭連接剛度，由三個轉動剛度表示結構板零件厚度表第三節(jié)

結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結*1374．結構定義和詳細說明書例：截面性質表和接頭剛度說明表的例如主要是周邊框〔門檻〕、風窗柱、前保險杠橫梁與縱梁之間接頭等的說明第三節(jié)

結構設計過程與性能實現(xiàn)一、結構方案設計階段二、結構研究階段三、結構完善階段四、白車身結構設計完成的總結*138上述的詳細說明文件列出了結構的屬性要求如果研究的僅是車輛