第五章應用多種材料的輕質(zhì)車身設(shè)計

1、第五章應用多種材料的輕質(zhì)車身設(shè)計5.1 轎車車身結(jié)構(gòu) 5.1 轎車車身結(jié)構(gòu)5.25.35.4白車身由覆蓋件、梁或支柱以及結(jié)構(gòu)加強件組成車身前部結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)是敞開的發(fā)動機艙，承受比較大的集中力，主要由前縱梁支撐，并盡可能吸收縱向碰撞能量。5.1.1 車身構(gòu)造5.1 轎車車身結(jié)構(gòu) 5.1 轎車車身結(jié)構(gòu)5.25.35.4 車身中部結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)是乘坐艙，結(jié)構(gòu)強度要求很高，主要起到承受側(cè)面撞擊力，保護乘員生存空間的作用。是行李箱艙，主要承受燃油箱、備胎和行李的重力。后縱梁承擔和吸收縱向撞擊載荷。輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的新觀點： “將合適的材料應用于合適的部位將合適的材料應用于合適的部位” 。 5.1 轎車車身

2、結(jié)構(gòu) 5.1 轎車車身結(jié)構(gòu)5.25.35.45.1.2 車身結(jié)構(gòu)特點優(yōu)點：缺點：提高車身壽命；提高舒適性；提高安全性；便于協(xié)作生產(chǎn)。不利于輕量化；不利于上下車；制造、裝配技術(shù)需提高。有獨立車架的非承載式車身結(jié)構(gòu)適用于大、中型，批量小的車型適用于中、小型批量大的車型5.1 轎車車身結(jié)構(gòu) 5.1 轎車車身結(jié)構(gòu)5.25.35.4無獨立車架的承載式車身結(jié)構(gòu)優(yōu)點：缺點：減重量、降成本；有效空間增大；上下車方便；裝配問題減少。影響舒適性；影響車身強度；改變車身制造變形車困難。5.1 轎車車身結(jié)構(gòu) 5.1 轎車車身結(jié)構(gòu)5.25.35.4一定程度上改善乘坐舒適性帶副車架的半承載式車身結(jié)構(gòu)優(yōu)點：優(yōu)點：隔振、隔音

3、、輕量、底板較低、空間利用率高。5.1 轎車車身結(jié)構(gòu) 5.1 轎車車身結(jié)構(gòu)5.25.35.4 車身結(jié)構(gòu)的革新所帶來的好處不言而喻，但整體式車身結(jié)構(gòu)給汽車設(shè)計與制造帶來的卻是整個設(shè)計理念、制造方法和消費方式的巨大變革。 。 模塊化車身結(jié)構(gòu) 5.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.15.2車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.35.45.2.1 結(jié)構(gòu)強度與剛度要求車身結(jié)構(gòu)剛度和動力學性能設(shè)計的過程 分析具有競爭力的同類車型的性能指標 對新設(shè)計提出具體的目標要求 實施車身拓撲構(gòu)造技術(shù)，選擇結(jié)構(gòu)方案 建立CAE模型進行結(jié)構(gòu)強度分析計算結(jié)構(gòu)優(yōu)化 ，得到最佳方案試驗驗證 產(chǎn)品設(shè)計的全面評估 不斷完善 車身在各種行駛條件下承受各種載荷時

4、，要求既不許變形也不許損壞，對可變動載荷也不能產(chǎn)生裂紋等疲勞破壞。 結(jié)構(gòu)強度與剛度設(shè)計應滿足的條件 沒有物理學上或理論力學上的“平面性”承載結(jié)構(gòu) 由骨架構(gòu)件連接成的承載及傳力結(jié)構(gòu) 承載結(jié)構(gòu)任何地方受力，應通過承載結(jié)構(gòu)“網(wǎng)絡”，迅速傳遞至整個車身 盡量避免存在不會受力的非承載構(gòu)件 車身承載結(jié)構(gòu)必須有足夠的剛性 .所有機組必須盡量懸置于車身承載結(jié)構(gòu)的幾何節(jié)點處 不允許車身薄板有較大的振幅 5.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.15.2車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.35.45.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.15.2車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.35.45.2.2 振動與噪聲要求噪聲的產(chǎn)生（1）轎車驅(qū)動系統(tǒng)噪聲（2）輪胎與路面接觸噪聲（

5、3）環(huán)繞車身的氣流噪聲噪聲的傳遞（1）空氣傳聲（2）固體傳聲降噪的措施（1）連接處隔絕（2）有目的的增加車身剛度（3）適當部位設(shè)置隔音件（4）多級密封 汽車上的振動主要包括由路面不平度引起的車身垂直方向的振動、發(fā)動機不平衡往復慣性力產(chǎn)生的車身振動、轉(zhuǎn)向輪的擺振和傳動系的扭轉(zhuǎn)振動等。振動特性與車身剛度密切相關(guān)。高剛度車身不僅有利于懸架的支持，使汽車系統(tǒng)正常工作，而且有利于改進振動特性，降低噪聲。5.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.15.2車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.35.45.2.3 耐久性要求疲勞的產(chǎn)生汽車在行駛過程中，由于路面不平整及路面使用過程中造成的缺陷等因素的影響，車身結(jié)構(gòu)會受到交變載荷的作用疲勞破壞

6、在交變載荷重復作用下，應力值沒有超過材料的強度極限，材料或結(jié)構(gòu)所發(fā)生的破壞現(xiàn)象 影響疲勞強度的因素材料本身的性質(zhì)、零件幾何形狀、表面質(zhì)量、工作條件、表面處理及參與內(nèi)應力等 材料或構(gòu)件疲勞性能用疲勞強度來衡量，它指材料或構(gòu)件在交變載荷作用下的強度，采用在一定循環(huán)特征下，材料或構(gòu)件可以承受無限次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應力和疲勞失效時所經(jīng)受的應力或應變的循環(huán)次數(shù)作為疲勞極限評價指標。疲勞壽命取決于材料的力學性能和所施加的應力水平。5.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.15.2車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.35.45.2.4 安全性要求考慮乘客最優(yōu)化的碰撞保護的安全性設(shè)計基本要求 有安全帶等保護裝置 高強度的乘坐

7、艙 車身前后部有大的碰撞變形區(qū)域 地板及車門具有碰撞承載結(jié)構(gòu) 車身前部有高強度的橫向連接件 .車門有極堅固的防撞梁 乘座艙內(nèi)構(gòu)件表面光滑及柔軟 頂蓋有加強結(jié)構(gòu) 縱向結(jié)構(gòu)從前至后變形阻力逐大 碰撞后起火燃燒的可能性最小 承受速度為50km/h的碰撞，乘員無傷害 雨刮器應幾乎完全被發(fā)動機罩遮蓋 白車身外的零件修理價格合宜 車身剛度合理分級 5.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.15.2車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.35.4前后兩個碰撞吸能區(qū) 車身的剛度分配是碰撞安全性的決定因素。安全車身前后部位的剛度應低于中間乘坐艙的剛度。輕微事故時保險杠系統(tǒng)及其碰撞變形元件能吸收沖擊能量，減少損失。重大事故時，乘坐艙變形應盡量小，

8、讓乘客有足夠的生存空間。乘坐艙以外的部件應盡量參與變形并吸收沖擊能量。 安全車身5.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.15.2車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.35.45.2.5 輕量化要求輕量化的前提保證安全性結(jié)構(gòu)合理化（1）減薄板厚（2）形狀合理（3）剛度最佳輕量化的途徑(1)縮小車身尺寸(2)采用前置前驅(qū)布置型式(3)車身結(jié)構(gòu)合理化(4)使用高強度鋼板或其他輕質(zhì)材料輕質(zhì)替代材料（1）高強鋼（2）鋁、鎂合金（3）復合材料 車身質(zhì)量（包括白車身和裝備件）對整車質(zhì)量的影響很大。車身輕量化能有效地減輕簧上質(zhì)量，使得懸架及傳動系統(tǒng)的負荷減小，從而亦可相應地減輕該部分的質(zhì)量，有利整車輕量化要求，最終達到節(jié)能環(huán)保要求。 5.

9、2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.15.2車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.35.45.2.6 密封性要求固定可靠、易裝、美觀、耐用，接觸平穩(wěn)、振動小，不漏雨、不積水罩蓋密封升降玻璃密封動態(tài)密封靜態(tài)密封5.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.15.2車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.35.45.2.7 通風性要求布置通風裝置應考慮車身結(jié)構(gòu)和行駛中車身的表面壓力分布特性5.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.15.2車身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求5.35.45.2.8 防腐性要求腐蝕形態(tài)穿孔腐蝕縫隙腐蝕端部腐蝕鑿擊腐蝕疤痕腐蝕凹陷部位封閉結(jié)構(gòu)鋼板結(jié)合處接縫處板件沖壓裁剪處車身底部車身外板 達到車身外板穿孔腐蝕為10年，表面銹蝕為5年，發(fā)動機罩內(nèi)和地板下表面銹蝕為2年的

10、“10-5-2”車身防腐蝕目標5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線5.15.25.3 輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計5.45.3.1 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計特點輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)集成框圖5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線5.15.25.3 輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4 車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足車身剛度、模態(tài)、碰撞安全性、疲勞壽命和NVH特性等諸多方面的性能要求和相關(guān)的法律、法規(guī)及標準，結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析是根本手段 5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線5.15.25.3 輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計5.45.3.2 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方法5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線5.15.25.3 輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計就是以強度高、抗

11、振性好、彈性模量高的材料為基礎(chǔ)，高強度的連接、優(yōu)化的部件幾何結(jié)構(gòu)為條件，實現(xiàn)車身強度、剛度、穩(wěn)定性以及振動和聲學性能的保證。 5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線5.15.25.3 輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計5.45.3.3 結(jié)構(gòu)輕量化的途徑結(jié)構(gòu)輕量化5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線5.15.25.3 輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4a）分散型結(jié)構(gòu)(焊接的沖壓件) b）混合型結(jié)構(gòu)(金屬與復合材料的混合) c）整體型結(jié)構(gòu)(壓鑄的泡沫鋁合金) 應用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的車門a）分散型結(jié)構(gòu)（AUDI A2） b）整體型結(jié)構(gòu)（VW LUPO）應用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的車身選擇密度較小力學性能接近于鋼材的材料5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線5.15.

12、25.3 輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4材料輕量化輕質(zhì)材料要求輕質(zhì)材料要求易于維修可塑型可連接可制造能量消耗費用阻尼振動特性聲學特性使用性可回收再利用抗腐蝕外觀和表面保護強度剛度可變形吸能輕量化更多要求：物流、生產(chǎn)兼容性、未來技術(shù)5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線5.15.25.3 輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4目前尚未發(fā)現(xiàn)具備所有要求品質(zhì)的材料EP-玻璃玻璃EP-聚酰胺聚酰胺EP-碳纖維碳纖維特定的剛度特定的剛度特定強度特定強度5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線5.15.25.3 輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4 采用材料的輕量化參數(shù)為零部件選擇最優(yōu)材料提供有效幫助.綜合極限長度和線性應變，可以對不同材料進行輕量化效果分

13、析。極限長度：體現(xiàn)質(zhì)量和抗拉強度之間的相互作用。線性應變：將部件的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的拉應力變形結(jié)合起來。5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線5.15.25.3 輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4線性應變極限長度極限長度lR/km線性應變lE/km鋁 鎂 鈦 鋼玻纖增強塑料 碳纖增強塑料線性應變極限長度線性應變lE/km極限長度lR/km鋁 鎂 鈦 鋼玻纖增強塑料 碳纖增強塑料5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線5.15.25.3 輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4典型的基于多種材料設(shè)計的車身典型的基于多種材料設(shè)計的車身寶馬6系Coupe的白車身材料成分5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線5.15.25.3 輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4 合適

14、的材料應用于合適的部位是由零件的特性決定的：要求滿足剛度的零件，彈性模量剛性參數(shù)和E A或者E I的比例最為關(guān)鍵；要求滿足強度的零件，靜力學中的ReH或者Rm，或者動力學中的A（耐久性）是具有決定性意義的；要求具有臨界損壞值的零件，撕裂階段中取決于可持續(xù)受力值Ni = F(ai)，裂紋擴展階段中取決于裂紋擴展的速度da/dn = F(Kc)；對于有吸能要求的零件，起決定性作用的是材料變形過程內(nèi)部吸收的彈/塑性變形能。5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線5.15.25.3 輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計5.45.3.4 結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)難點5.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路線 輕量化設(shè)計的難點真正還在于，它的設(shè)計過程的復雜性，以及結(jié)構(gòu)、材料、工藝之間的相關(guān)性，只有在三者間找到交集的集合，才能完成輕量化設(shè)計。 成本成本生產(chǎn)運營維護保養(yǎng)維修廢棄物處理設(shè)計設(shè)計減法/加法/混合造型自由度功能集成（傳感器/執(zhí)行機構(gòu)）表面設(shè)計質(zhì)量質(zhì)量使用壽命尺寸穩(wěn)定性/相容性抗腐蝕性舒適性（聲、視覺、觸覺）制造制造批量生產(chǎn)/單件生產(chǎn)成型加工連接/分割表面處理質(zhì)保設(shè)