汽車車身設計-第四章.ppt

普通高等教育 “十一五”國家級規(guī)劃教材 汽車車身設計,第四章 車身結構剛度和動力學性能設計,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,車身在外界激勵作用下將產(chǎn)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 使乘員感到不舒適 帶來噪聲 部件疲勞損壞 破壞車身表面的防護層和車身的密封性,汽車設計目標高剛度、輕重量 利于懸架的支持，使車輛系統(tǒng)正常工作 利于改進振動特性 節(jié)能 提高汽車動力性、經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性 高剛度、輕重量的關鍵：結構動力學設計,與結構動力學相關的車身結構基礎性能 車身靜剛度 車身動剛度 車身剛度最終影響汽車的目標性能 NVH（Noise、Vibration、Harshness）特性 碰撞安全性 車身結構耐久性,車身結構剛度和動力學性能設計過程： 1）選定競爭車型，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 6）試驗驗證 7）完善化 8）結論產(chǎn)品設計的全面評估,車身剛度 整體剛度：決定于部件布置和車身結構設計 局部剛度： 主要是安裝部位、連接部位、大面積板殼件剛度 決定于局部車身結構斷面形狀和采用加強結構等 車身剛度設計是滿足車身結構動力學要求的基礎，一般采用如下方法 剛度測試和分析 車身整體剛度設計 車身局部剛度,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,車身的剛度在整車剛度中占有很大成份 整車剛度和部件剛度的貢獻的測量： 1）整車彎曲剛度 2）整車扭轉剛度 3）每個部件的貢獻,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,對標分析，確定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,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,例： 前風窗對整車扭轉剛度貢獻達15%，對整車彎曲剛度貢獻為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 地板的中間通道構件在實例中對整車彎曲剛度貢獻8%，對扭轉剛度貢獻7%。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,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,車身整體剛度 指車身的彎曲剛度和扭轉剛度 良好的整體剛度 防止結構在載荷作用下產(chǎn)生大的變形 利于汽車操縱性,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,車身整體剛度設計方法 （一）構造車身基本結構并建立概念設計模型 （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,（一）構造車身基本結構并建立概念設計模型 車身基本結構 指主要用以傳遞載荷的車身結構 概念設計模型 參考競爭車型結構 考慮采用材料、工藝等先進技術 兼顧車輛總體布置和造型的要求 有限元概念分析模型 用以分析結構剛度 根據(jù)結構的CAD模型建立 例：PBM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 三、車身局部剛度,（二）車身剛度優(yōu)化 通過優(yōu)化計算和經(jīng)驗設計，直到模型的各個部分的性質得到合理的匹配，滿足總的剛度設計目標 優(yōu)化后的模型各部分性質就是下一步車身詳細設計的指南,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,（二）車身剛度優(yōu)化 1.優(yōu)化目標 車身剛度優(yōu)化的目標是高剛度/輕重量 高剛度 靜剛度指標 車身結構的一階彎曲和一階扭轉模態(tài)頻率 輕重量 應變能計算 組件的貢獻分析,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,（二）車身剛度優(yōu)化 2. 靈敏度和靈敏度分析 構件截面特性和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、接頭剛度或板厚變化的靈敏度 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,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,（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,（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,（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,（二）車身剛度優(yōu)化 3. 接頭優(yōu)化 對標確定車身NVH性能水平，并初步分派各接頭剛度指標 參考樣車和積累的數(shù)據(jù)，進行接頭初步構造和尺寸選擇 建立接頭剛度約束下的板厚優(yōu)化模型 根據(jù)材料單價和重量，提出成本約束 基于工藝要求確定尺寸約束 對各接頭進行剛度關于板厚的靈敏度分析和優(yōu)化設計 迭代計算，得到可行解，輸出新的接頭總成本、重量和剛度,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,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 分析目標：低成本、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 由于減小了一些零件的板厚，成本節(jié)約8.77美元，而接頭剛度卻有所提高,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,接頭優(yōu)化結果,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 三、車身局部剛度,車身整體剛度設計過程總結 1）對競爭車型測試參數(shù)； 2）整車和車身剛度的匹配，并分派各子系統(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，進行各部件的貢獻分析，在此基礎上進行平衡，再布置構件確定基本尺寸 5）優(yōu)化計算 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 三、車身局部剛度,車身局部剛度 指車身結構安裝部位和服務部位的剛度 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 安全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,（一）車身支承部位剛度 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 一般根據(jù)車身支承件的剛度決定車身結構支座區(qū)域的目標剛度 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,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,（二）板殼零件剛度 大型板殼零件的剛度不足，易引發(fā)板的振動，令人感覺不舒適，造成部件疲勞損壞 零件剛度差會給生產(chǎn)、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,（二）板殼零件剛度 設計上的考慮 板殼零件的剛度取決于零件的板厚及形狀 曲面和棱線造型、拉延成型時零件的冷作硬化 在內(nèi)部大型板件上沖壓出加強筋 若不允許出現(xiàn)加強筋，可在零件上貼裝加強板 可用沉孔來加強剛度,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,（三）防止結構中的應力集中 避免受力桿件截面的突變 在結構設計時要避免截面急劇變化，特別是要注意加強板和接頭設計時剛度的逐步變化 例：,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,（三）防止結構中的應力集中 孔洞的設計 孔洞會產(chǎn)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,（三）防止結構中的應力集中 加強板的合理設計 加強板太小，不足以將集中載荷通過加強板分散到較大的面積上；加強板太大則會增加質量 加強板厚度比被加強件的板料厚，但厚度不宜相差太懸殊,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,（三）防止結構中的應力集中 車身支承部件（前、后輪罩）的設計 輪罩零件板厚分級,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）振動模態(tài)分析 無阻尼單自由度系統(tǒng) 在初始激勵作用下，將以其固有頻率在某種自然狀態(tài)下振動 多自由度系統(tǒng) 固有振型、固有頻率 模態(tài)分析 無阻尼自由振動系統(tǒng)的特性分析,第二節(jié) 車身結構的動力學性能設計 一、車身振動特性 二、車身結構動力學性能設計,（一）振動模態(tài)分析 車身振動特性分析 基于有限元法和線性振動理論 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 二、車身結構動力學性能設計,（一）振動模態(tài)分析 車身的振動特性分析 無阻尼自由振動方程： 特征方程 特征方程的解 固有頻率 固有振型,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）振動模態(tài)分析 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)振動：各階固有振型的線性組合 低階振型對構件的動力影響大于高階振型 扭轉或彎曲振型,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,一階彎曲 兩個節(jié)點 頻率為2040Hz 二階彎曲 三個節(jié)點 頻率為3050Hz,（一）振動模態(tài)分析 車身的振動特性分析 1車身整體振動模態(tài) 轎車各部分的固有振動頻率和激振頻率的分布圖,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）振動模態(tài)分析 車身的振動特性分析 1車身整體振動模態(tài) 轎車各部分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2050Hz 避免與底盤系統(tǒng)共振 注意提高車身整體的剛度和部件剛度 在節(jié)點處布置動力總成等的懸置點 車身裝上內(nèi)飾件后，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 二、車身結構動力學性能設計,（一）振動模態(tài)分析 車身的振動特性分析 2部件模態(tài)分析 注意車身剛度分布 例：轎車前車身開口部分剛度優(yōu)化 各方案前五階正交模態(tài)、四種工況靜剛度對比 加強車頭與車室連接的剛度、改變該處載荷路徑,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）振動模態(tài)分析 車身的振動特性分析 2部件模態(tài)分析 注意車身剛度分布 例：轎車前車身開口部分剛度優(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）振動模態(tài)分析 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易在振源激勵下產(chǎn)生強迫振動 當激振頻率接近車身內(nèi)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40300Hz或更高的范圍 板件振動造成的輻射聲和車室內(nèi)空腔體積的變化，是產(chǎn)生車內(nèi)噪聲的重要原因 例如轎車地板的共振頻率在5060Hz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 二、車身結構動力學性能設計,（一）振動模態(tài)分析 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 二、車身結構動力學性能設計,（一）振動模態(tài)分析 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 二、車身結構動力學性能設計,（二）車身振動響應分析 動力學分析 計算系統(tǒng)在激勵下的響應，即求方程 的通解 應采用車身整備模型，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、模態(tài)應力） 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 二、車身結構動力學性能設計,（三）振動特性測試 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,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,（三）振動特性測試 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 二、車身結構動力學性能設計,（一）主觀評價和客觀測量 車身剛度和模態(tài)不是最終的評價指標 汽車的性能指標應體現(xiàn)在使用性能的最終綜合水平 在設計的最初階段，對競爭車型進行評價，并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 1主觀評價 由專家實際駕駛和主觀評價的方法，評價汽車振動性能。對主觀評價認為最好的車型要進行客觀測量 例：某公司新蔽蓬車設計，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 評價轉向盤、座椅、后視鏡等駕駛員界面特征點振動特性,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 2道路響應測量 在與主觀評價時同樣的路面上對三種車型(包括原敞蓬車、閉蓬車、硬頂D型車)的道路響應測量 結構模態(tài)頻率是影響車輛結構動力學性能和乘坐感覺的關鍵指標,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,（二）確定性能指標 競爭車型指標，為新車設計提供了一個清晰的動力學性能水平。再考慮其它要求，可確定各項性能指標 其它性能要求： 碰撞安全性 耐久性 布置、重量等,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,（三）性能綜合 綜合考慮各種要求，完成一個設計 充分理解所有性能要求，關鍵在于弄清整車性能要求與部件設計參數(shù)間的關系 建立基于性質的參數(shù)化模型（PBM），可幫助弄清這個關系 此設計初期的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,（四）結構動力學設計 所提出的車身動力學性能要求，分派到各子系統(tǒng)和部件，由其性能保證將來整車性能目標的實現(xiàn) 分派指標： 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,（四）結構動力學設計 1模態(tài)研究與控制 車輛振動響應是車輛子系統(tǒng)、零部件與道路或發(fā)動機激勵等彼此作用的結果 為降低駕駛員界面的振動響應級，必須控制系統(tǒng)振動的頻率，使其互不耦合并避開通常的激勵頻率 需要根據(jù)最初對標時所做的分析和測量，以及數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)支持，設計模態(tài)分布圖,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,（四）結構動力學設計 1模態(tài)研究與控制 例：某車型的模態(tài)圖 模態(tài)間的線段指出為使耦合最小而應隔離的部件模態(tài),第二節(jié) 車身結構的動力學性能設計 一、車身振動特性 二、車身結構動力學性能設計,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),（四）結構動力學設計 2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，計算和評估性能水平 系統(tǒng)模型有如下幾類： 車身概念模型 整備車身模型 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,（四）結構動力學設計 2建立系統(tǒng)模型 車身概念模型 結構參數(shù)少，便于各方面的評估和完成概念設計，也稱為概念模型 用于選擇構造；既要在剛度/質量方面具有潛力，又要考慮碰撞、耐久性等方面 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,（四）結構動力學設計 2建立系統(tǒng)模型 整備車身模型 響應分析必須采用整備的車身模型 整備車身模型是將所有與結構無直接聯(lián)系的非結構質量，如內(nèi)、外附件等，按集中質量或分布質量附加到車身結構上的模型 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,（四）結構動力學設計 2建立系統(tǒng)模型 車輛系統(tǒng)模型 整備車身模型與如動力總成和底盤等聯(lián)合在一起組成車輛系統(tǒng)模型，包含模態(tài)分布圖中全部諧振子系統(tǒng)和全部質量 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 有時還需建立部件的分析模型,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,（四）結構動力學設計 3動力學計算分析 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(diào)整 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,（四）結構動力學設計 3動力學計算分析 頻率響應 駕駛員界面點的響應計算 根據(jù)目標級要求，進行結構方案修改,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,例：轉向盤的抖動 為降低響應，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,（四）結構動力學設計 3動力學計算分析 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,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 要評價所有車身安裝點的動力適應性，即進行機械導納分析,（四）結構動力學設計 3動力學計算分析 靈敏度及應用,第二節(jié) 車身結構的動力學性能設計 一、車身振動特性 二、車身結構動力學性能設計,（四）結構動力學設計 3動力學計算分析 靈敏度及應用,第二節(jié) 車身結構的動力學性能設計 一、車身振動特性 二、車身結構動力學性能設計,（四）結構動力學設計 3動力學計算分析 靈敏度及應用,第二節(jié) 車身結構的動力學性能設計 一、車身振動特性 二、車身結構動力學性能設計,（四）結構動力學設計 3動力學計算分析 靈敏度及應用 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,（四）結構動力學設計 3動力學計算分析 靈敏度及應用 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,（四）結構動力學設計 3動力學計算分析 靈敏度及應用 結論 靈敏度分析方法，可從結構整體觀察結構。靈敏度信息在研究復合響應和確定載荷路徑時很有用 例： 對激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 相對變形大且靈敏度低的接頭，表明結構的效率低，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,（四）結構動力學設計 3動力學計算分析 靈敏度及應用 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車輛結構一階彎曲和一階扭轉模態(tài)頻率的曲線關系,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,1-加速度峰值 2-響應均方根值,（四）結構動力學設計 4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(diào)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,（四）結構動力學設計 5性能平衡 設計和優(yōu)化各子系統(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,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,（四）結構動力學設計 6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，更新結構設計參數(shù)，使某個給定的響應量在各種約束條件下最小化,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,（四）結構動力學設計 6結構優(yōu)化 結構優(yōu)化用于車輛的整個開發(fā)過程 設計初期著重高剛度/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,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,（五）結構設計 結構設計階段 結構方案選擇 結構研究 結構設計完善 這三個階段各種方案的共同特點都是圍繞車輛低階彎曲和扭轉模態(tài)頻率進行研究,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,例：本節(jié)通過某公司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，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23 Hz 這是一般轎車的水平，但對敞蓬車是史無前例的 根據(jù)調(diào)查，與新設計車型尺寸類似的敞蓬車，一階扭轉模態(tài)頻率在1117 Hz。新設計要實現(xiàn)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,設計C5的基礎是C4敞蓬車，其一階結構模態(tài)頻率是13Hz，比目標低8Hz 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 形成C4的四種不同加強方案，使一階頻率提高46Hz 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,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,1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 都滿足總布置、制造、耐久性和碰撞安全性要求 每個方案都在一階結構模態(tài)頻率為23Hz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,1結構方案比較和選擇 對多個方案權衡結果剩下三個方案 整體焊接框架構造 螺釘連接車身構造方案 通過橡膠墊連接車身的構造方案,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,1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(jīng)驗值，以此為基礎進行優(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,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,1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、加工和成本等要求，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,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 這些特征體現(xiàn)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 下一步是研制詳細載荷路徑的尺寸和板厚，使其最有效地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,2. 分析模型更新 用于選擇車身結構方案的概念分析模型，只是根據(jù)概念方案和總體布置建立的車身拓撲結構粗模型，或是基于性質的參數(shù)化模型（PBM） 模型中梁單元截面的初始參數(shù)值參考先前C4典型截面或經(jīng)驗值，從截面尺寸和板厚初始值開始結構拓撲優(yōu)化設計 描述接頭的彈簧元或超單元初始值由參考車型局部接頭的詳細模型導出,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. 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,3. 多目標優(yōu)化 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 當載荷路徑、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，概念設計完成,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,4結構定義和詳細說明書 為確認結構概念設計，要提供一個結構詳細說明書 說明書要寫明達到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 載荷路徑截面性質表 接頭剛度說明表 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,4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示例 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,新車開發(fā)的過程中，還需進行各子系統(tǒng)間的性能再平衡工作： 結構設計靈敏度分析 在已經(jīng)確定的性能水平下的結構調(diào)整 基于總體性能的結構研究 物理樣機驗證,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,結構設計靈敏度分析 通過性能靈敏度分析，查出載荷路徑、接頭或板厚的改變對車輛結構前幾階彎曲和扭轉模態(tài)頻率影響的靈敏度 對性能靈敏度小的區(qū)域是可被再平衡的區(qū)域，因為這個區(qū)域的變化對結構性能影響最小,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. 在已經(jīng)確定的性能水平下的結構調(diào)整 在進一步平衡過程中，靈敏度分析結果提供了方向。但是往往在設計過程中由于大量的平衡工作使得其他子系統(tǒng)發(fā)生變化，造成新的要求或者約束的變化 設計初期，結構變化對性能影響較大；在設計過程后期，方案研究更詳細，但對性能的影響卻逐步變小，只能在已經(jīng)確定的性能水準下進行結構調(diào)整,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. 在已經(jīng)確定的性能水平下的結構調(diào)整 例： 在構造選擇和結構方案開發(fā)階段，認為第二、五橫梁是橫向載荷路徑，對扭轉剛度的提高有重要的貢獻 研究其對結構響應和模態(tài)頻率的貢獻發(fā)現(xiàn)，有無第二橫梁對乘員界面點的加速度響應影響不大。第五橫梁的作用也類似,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. 在已經(jīng)確定的性能水平下的結構調(diào)整 例： 研究表明：如果拆除二、五橫梁，則保險杠橫梁及其與縱梁的接頭對動力響應的影響就變得很靈敏。因此保險杠橫梁必須是閉口截面梁，且與縱梁應牢固焊接 通過對接頭的專門分析和研究表明，該接頭成為結構中最重要的接頭。而拆除二、五橫梁后，可以減輕重量大約10公斤，還可以加大車身前后端的布置空間，振動性能的損失卻可以忽略,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,3. 基于總體性能的結構研究 車身是一個大的子系統(tǒng)，它會影響車輛的幾乎所有子系統(tǒng)的設計，伴隨著影響多方面的綜合性能 為便于從整車水平對每個階段的結構進行再平衡，需列表研究每一個結構方案的變化與整車水平的關系,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,4物理樣機驗證 分析模型是使結構設計滿足高剛度/輕重量的有效工具，而且分析方法是成熟的、經(jīng)過驗證的 對于一個完全新的設計來說，物理樣機認證仍非常重要，包括整車性能的全面測試,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,通過結構概念設計、結構研究，新設計的車身結構的分析和硬件認證都證實了車身的大多數(shù)性能目標已經(jīng)達到 下一步是完善結構設計，以確保最優(yōu)的性能，并引導車輛各方面要求的再平衡 結構研究 最終零件板厚最佳化 硬件（樣車）再造,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,1. 詳細模型 整車要求的再平衡是一個整車優(yōu)化的過程。要建立用于這個階段研究的分析模型 在設計后期，為更精確地模擬結構性能，應建立更詳細的模型 完善的車身結構分析模型是用板單元來模擬所有結構,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,1. 詳細模型 整車系統(tǒng)模型，是整備車身模型和動力總成及底盤系統(tǒng)組合的模型 在設計完善化階段，要用這個整車系統(tǒng)模型進行模擬仿真，并將其結果與客戶的感覺對比 整車系統(tǒng)模型還用于追蹤計算最終的一階整車結構模態(tài)，因為這是確保大多數(shù)性能要求的關鍵指標 通常結構調(diào)整還是用整備車身板模型進行研究,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. 車輛要求的再平衡 在結構完善階段，對車輛的要求是指布置、重量等非性能要求 車輛要求的再平衡是車輛開發(fā)過程的繼續(xù) 競爭系統(tǒng)之間的折衷、平衡，在設計早期效果比較大，影響結構性能在12Hz間變化 隨著項目的進展，競爭方案的選擇對結構的影響幅度變小，一般在0.20.5Hz范圍,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. 車輛要求的再平衡 例： 在新車設計結構完善階段，項目經(jīng)理又提出了兩個變量需要再平衡 要求增加乘員的放腳地板的區(qū)域 要求再減輕車身重量 在C5設計中這兩個要求對一階結構模態(tài)頻率有較大的影響；結果是放腳地板加寬導致車輛的一階彎曲和一階扭轉頻率減小了12Hz 減輕重量本來就是新設計的一個主要目標，已被分派到每一個車輛子系統(tǒng)，而且必須不降低碰撞、耐久性等其他性能要求；而減小重量一般會引起一階模態(tài)（剛度）下降，所以在這設計的后期，再減輕重量是困難的,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,3. 結構性能再平衡 1）頻率和重量設計靈敏度研究 為獲得最大的結構效益，需要運用靈敏度分析引導結構設計修改 對于整備車身模型和整車系統(tǒng)模型，主要是計算一階彎曲和一階扭轉頻率對所有結構零件板厚改變的靈敏度 為了一階模態(tài)頻率最大化和重量最小化，必須將結構頻率靈敏度和薄板質量靈敏度結合考慮,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