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第四章 车身结构刚度和动力学性能设计

第四章 车身结构刚度和动力学性能设计. 提纲. 第一节 车身结构刚度设计 一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度 第二节 车身结构的动力学性能设计 一、车身振动特性 二、车身结构动力学性能设计 第三节 结构设计过程与性能实现 一、结构方案设计阶段 二、结构研究阶段 三、结构完善阶段 四、白车身结构设计完成的总结. 车身在外界激励作用下将产生变形,引起系统的振动 当外界激振频率与系统固有频率接近,或成倍数关系时,将发生共振 使乘员感到不舒适 带来噪声 部件疲劳损坏 破坏车身表面的防护层和车身的密封性.

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第四章 车身结构刚度和动力学性能设计

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Presentation Transcript


  1. 第四章 车身结构刚度和动力学性能设计

  2. 提纲 第一节车身结构刚度设计 一、刚度测试和分析 二、车身整体刚度设计 三、车身局部刚度 第二节车身结构的动力学性能设计 一、车身振动特性 二、车身结构动力学性能设计 第三节 结构设计过程与性能实现 一、结构方案设计阶段 二、结构研究阶段 三、结构完善阶段 四、白车身结构设计完成的总结

  3. 车身在外界激励作用下将产生变形,引起系统的振动车身在外界激励作用下将产生变形,引起系统的振动 • 当外界激振频率与系统固有频率接近,或成倍数关系时,将发生共振 • 使乘员感到不舒适 • 带来噪声 • 部件疲劳损坏 • 破坏车身表面的防护层和车身的密封性

  4. 汽车设计目标——高刚度、轻重量 • 利于悬架的支持,使车辆系统正常工作 • 利于改进振动特性 • 节能 • 提高汽车动力性、经济性、操纵稳定性 • 高刚度、轻重量的关键:结构动力学设计

  5. 与结构动力学相关的车身结构基础性能 • 车身静刚度 车身弯曲、扭转刚度和局部刚度 • 车身动刚度 模态特征、传递特性 • 车身刚度最终影响汽车的目标性能 • NVH(Noise、Vibration、Harshness)特性 • 车身结构耐久性

  6. 车身结构刚度和动力学性能设计过程: 1)选定竞争车型,进行对标分析 性能水平测试、分析和评价研究,新车型性能指标的参考。测试包括:整车和车身刚度、车身模态、用户界面点振动、噪声响应等 2)对新设计提出具体目标要求 用户界面点动力响应,一阶模态频率,总体和局部刚度。综合其他:碰撞性能、耐久性、布置要求、重量和成本 3)实施车身拓扑构造技术,选择结构方案 整车水平和部件参数关系、构造和性能关系 4)建立车身CAE模型 研究不同设计参数对不同性能要求的影响,计算灵敏度系数,用于结构优化、修改和性能调整

  7. 5)结构优化 建立优化模型,反复调整部件的结构参数和性质;修改模型,各子系统结构在平衡,直至获得满足目标性能各方面要求的最佳方案 6)试验验证 硬件验证伴随产品开发过程的每个阶段工作 7)完善化 物理样机试验出现的问题在投产前后尽可能完善 8)结论—产品设计的全面评估

  8. 第一节车身结构刚度设计 • 车身刚度 • 整体刚度:决定于部件布置和车身结构设计 • 局部刚度: 主要是安装部位、连接部位、大面积板壳件刚度 决定于局部车身结构断面形状和采用加强结构等 • 车身刚度设计是满足车身结构动力学要求的基础,一般采用如下方法 •刚度测试和分析 •车身整体刚度设计 •车身局部刚度 • 对标分析,确定车身的初步目标刚度指标 • 弯曲刚度和扭转刚度 • 模态频率要求

  9. 第一节车身结构刚度设计 一、刚度测试和分析 车身的刚度在整车刚度中占有很大成份 整车刚度和部件刚度的贡献的测量: 1)整车弯曲刚度 2)整车扭转刚度 3)每个部件的贡献

  10. 部件刚度贡献率 a) 弯曲刚度 b)扭转刚度

  11. 例: • 前风窗对整车扭转刚度贡献达15%,对整车弯曲刚度贡献为6%,加强A柱横截面和顶盖前横梁截面,以及加强A柱上、下接头的刚度很有意义 • 地板的中间通道构件在实例中对整车弯曲刚度贡献8%,对扭转刚度贡献7%。增加通道横向构件能使通道更好地起到承载结构件的作用

  12. 车身刚度测量装置 a)测量弯曲刚度(左、右同向加载Fb) b)测量扭转刚度(左、右反向加载Fd)

  13. 第一节车身结构刚度设计 二、车身整体刚度设计 车身整体刚度设计方法 (一)构造车身基本结构并建立概念设计模型 (二)车身刚度优化 • 车身整体刚度 • 指车身的弯曲刚度和扭转刚度 • 良好的整体刚度 • 防止结构在载荷作用下产生大的变形,或车身结构声固耦合的变化而引发高的噪声 • 利于汽车操纵性

  14. (一)构造车身基本结构并建立概念设计模型 • 车身基本结构 • 指主要用以传递载荷的车身结构 • 概念设计模型 • 参考竞争车型结构 • 考虑采用材料、工艺等先进技术 • 兼顾车辆总体布置和造型的要求 • 有限元概念分析模型 • 用以分析结构刚度 • 根据结构的CAD模型建立 • 例:PBM模型(基于性质的参数化模型)

  15. (二)车身刚度优化 通过优化计算和经验设计,直到模型的各个部分的性能得到合理的匹配,满足总的刚度设计目标 优化后的模型各部分性能就是下一步车身详细设计的指南

  16. (二)车身刚度优化 1.优化目标 • 车身刚度优化的目标是高刚度/轻重量 • 高刚度 • 静刚度指标 • 车身结构的一阶弯曲和一阶扭转模态频率 • 轻重量 • 应变能计算 • 组件的贡献分析

  17. (二)车身刚度优化 2. 灵敏度和灵敏度分析 • 构件截面特性和接头刚度对材料几何尺寸变化的灵敏度 • 结构整体刚度对截面特性、接头刚度或板厚变化的灵敏度 • 选择较灵敏的变量或部位进行修改,引导结构优化的方向

  18. 车身整体刚度设计过程总结 1)对竞争车型测试参数; 2)整车和车身刚度的匹配,并分派各子系统刚度指标; 3)初步构造结构,并建立系统简化分析模型; 4)结构计算研究,包括 • 静态扭转刚度和弯曲刚度 • 计算车身一阶弯曲和扭转模态频率 • 通过灵敏度分析和应变能分布图,进行各部件的贡献分析,在此基础上进行平衡,再布置构件确定基本尺寸 5)优化计算 6)建立细化模型,详细结构设计并验证性能

  19. 第一节车身结构刚度设计 三、车身局部刚度 • 车身局部刚度 • 指车身结构安装部位和服务部位的刚度 • 悬架、发动机、传动系的安装部位 • 拖钩、吊挂、装运、千斤顶作用部位 • 安全带固定器安装部位等

  20. (一)车身支承部位刚度 • 该部位良好的局部刚度可防止载荷通过悬架、动力总成安装点进入车身时发生大的变形 • 一般根据车身支承件的刚度决定车身结构支座区域的目标刚度 • 在车身刚度设计时,必须对支座区域刚度进行有限元分析

  21. (二)板壳零件刚度 • 大型板壳零件的刚度不足,易引发板的振动,令人感觉不舒适,造成部件疲劳损坏 • 零件刚度差会给生产、搬运等都带来困难 • 设计板壳零件尤其要注意提高零件的刚度

  22. (二)板壳零件刚度 • 设计上的考虑 • 板壳零件的刚度取决于零件的板厚及形状 • 曲面和棱线造型、拉延成型时零件的冷作硬化 • 在内部大型板件上冲压出加强筋 • 若不允许出现加强筋,可在零件上贴装加强板 • 可用沉孔来加强刚度

  23. (三)防止结构中的应力集中 • 避免受力杆件截面的突变 • 在结构设计时要避免截面急剧变化,特别是要注意加强板和接头设计时刚度的逐步变化 • 例:

  24. (三)防止结构中的应力集中 • 孔洞的设计 • 孔洞会产生应力集中 • 开一个大孔要比开数个小孔应力集中更严重 • 应尽可能将孔位选在应力较小的部位,如截面中性轴附近

  25. (三)防止结构中的应力集中 • 加强板的合理设计 • 加强板太小,不足以将集中载荷通过加强板分散到较大的面积上;加强板太大则会增加质量 • 加强板厚度比被加强件的板料厚,但厚度不宜相差太悬殊

  26. (三)防止结构中的应力集中 • 车身支承部件(前、后轮罩)的设计 • 轮罩零件板厚分级

  27. 第二节车身结构的动力学性能设计 一、车身振动特性 (一)振动模态分析 • 无阻尼单自由度系统 • 在初始激励作用下,将以其固有频率在某种自然状态下振动 • 多自由度系统 • 固有振型、固有频率 • 模态分析 • 无阻尼自由振动系统的特性分析

  28. (一)振动模态分析 • 车身振动特性分析 • 基于有限元法和线性振动理论 • 弹性系统的振动方程

  29. (一)振动模态分析 • 车身的振动特性分析 • 无阻尼自由振动方程: • 特征方程 • 特征方程的解 • 固有频率 • 固有振型

  30. (一)振动模态分析 • 车身的振动特性分析 1.车身整体振动模态 • 无阻尼线性系统振动:各阶固有振型的线性组合 • 低阶振型对构件的动力影响大于高阶振型 • 扭转或弯曲振型

  31. 一阶弯曲 • 两个节点 • 频率为20~40Hz • 二阶弯曲 • 三个节点 • 频率为30~50Hz

  32. (一)振动模态分析 • 车身的振动特性分析 1.车身整体振动模态 • 轿车各部分的固有振动频率和激振频率的分布图

  33. (一)振动模态分析 • 车身的振动特性分析 1.车身整体振动模态 • 轿车各部分的固有振动频率和激振频率的分布图 • 车身低阶模态频率大致在20~50Hz • 避免与底盘系统共振 • 注意提高车身整体的刚度和部件刚度 • 在节点处布置动力总成等的悬置点 • 车身装上内饰件后,扭转和弯曲频率最多可分别下降15%和25%

  34. (一)振动模态分析 • 车身的振动特性分析 2.部件模态分析 • 注意车身刚度分布 例:轿车前车身开口部分刚度优化 • 各方案前五阶正交模态、四种工况静刚度对比 • 加强车头与车室连接的刚度、改变该处载荷路径

  35. (一)振动模态分析 • 车身的振动特性分析 2.部件模态分析 • 注意车身刚度分布 例:轿车前车身开口部分刚度优化

  36. (一)振动模态分析 • 车身的振动特性分析 3.车身板壳的局部振动模态 • 刚度差的大型覆盖件易在振源激励下产生强迫振动 • 当激振频率接近车身内外板的固有振动频率时将发生板壳共振 • 车身大型板件共振频率通常在40~300Hz或更高的范围 • 板件振动造成的辐射声和车室内空腔体积的变化,是产生车内噪声的重要原因 • 例如轿车地板的共振频率在50~60Hz左右,共振时发生敲鼓式的声响

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