轿车车身结构设计论文

2022-04-21

簡介：提出了一种汽车前纵梁碰撞平均力的近似算法，算法中考虑了材料的硬化参数、碰撞速度、结构参数对碰撞力的影响，经试验结果验证较精确。下面是小编精心推荐的《轿车车身结构设计论文(精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

轿车车身结构设计论文篇1：

轿车车身模态及扭转刚度灵敏度分析

摘要：本文以某轿车白车身为研究对象，建立有限元模型，采用优化软件OptiStruct，以车身结构件的板厚为设计变量，进行车身一阶扭转固有频率、车身扭转刚度对板厚的灵敏度分析，找出对车身动、静态特性影响较大的部件，据此确定车身结构的最优设计方案。该方法能够为车身结构动态、静态特性的改进、车身的轻量化和车身结构的优化设计提供重要依据。

关键词：白车身；有限元；OptiStruct；灵敏度分析

Mode and Torsional Stiffness Sensitivity Analysis of a Passenger Vehicle Body

LIU Pan，XIA Tang-zhong，WANG Ping-ping，LIU Wen-hua，YUAN Zhi，LU Zhi-chen

（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company LTD，Technology Center Vehicle Department，Wuhan 430056，China）

Key words：white bodywork；finite element；optiStruct；sensitivity analysis

随着计算机软、硬件技术的快速发展，使得CAE仿真模拟分析技术展现出高效、详细和低成本的强大优势，CAE仿真分析优化技术已广泛应用于汽车研发设计各个阶段，在车身开发设计中显示出其强大的作用。汽车整车性能在很大程度上取决于轿车白车身设计质量及合理性，因此在白车身前期开发设计过程中就要求设计人员进行白车身各部件设计参数的优化分析。通常进行白车身结构优化设计时，车身结构可供调整的设计参数很多，如：车身钣金的材料、板厚等等，为了避免结构优化更改中的盲目性，提高工作效率同时降低设计研发成本，有必要采用优化分析技术进行设计参数的灵敏度分析，计算各设计变量对车身结构某性能指标的影响因子，进而根据灵敏度分析结果，进行车身结构优化分析，实现车身性能提高及质量减轻的目的。

本文是基于某轿车白车身展开研究工作，采用通用前处理软件Hypermesh进行车身结构有限元网格划分及模型组装，同时应用优化分析软件OptiStruct求解器进行白车身一阶扭转模态和静态扭转刚度灵敏度分析。计算得出车身结构不同部件的厚度对一阶扭转模态和静态扭转刚度性能的灵敏度系数，为车身整车及局部性能的改进、车身结构的优化和降重提供有力的数据参考。

1 车身结构有限元模型

1.1 有限元模型的建立

本文对某轿车白车身进行分析简化，建立其有限元分析模型。通过选择合适的有限元单元类型，对车身结构进行数学离散，其中车身钣金、玻璃、胶条等部件采用四边形单元、三角形单元及六面体单元进行网格划分，共141 851个单元，焊点采用ACM单元类型进行模拟，共4 852个。根据BOM表的要求赋予车身结构合适的材料属性及板厚数据。图1为进行灵敏度分析的白车身有限元网格模型。

1.2 有限元模型的精确性验证及设计参数的确定

根据白车身模态频率和静态扭转刚度计算分析规范，设置计算分析的约束条件。将仿真分析结果与实车试验数据进行对比分析，仿真结果与试验的数据的误差控制在5%以内，说明该有限元模型是近似精确的，其仿真分析结果是可信的。

白车身的一阶扭转模态及静态扭转刚度值在一定程度上反映了目标车的整车刚度性能的优劣，为考察不同部件的板厚对整车刚度性能的影响程度，将图2所示部件的板厚定义为设计变量，进行灵敏度计算分析。

2 车身结构模态特性灵敏度分析

2.1 模态灵敏度分析理论基础

车身一阶扭转模态灵敏度主要反映车身一阶扭转模态频率对结构设计变量的变化梯度。在确立模态优化问题的数学模型时，首先需要确定决定结构特性的设计变量，其中车身结构的板厚、材料、泊松比、弹性模量等都可以被选做设计变量，通常将模态频率值作为优化的约束条件，白车身重量做为优化目标。

由模态分析理论可知，系统振动固有频率特性可由式（1）确定：

式中：M和K分别为系统的质量和刚度矩阵；δ为模态向量；ω为固有频率；根据灵敏度定义，对设计变量xi求偏导，得：

将式（2）左乘?啄T，由于K为对称矩阵，整理可得：

将振型向量对质量矩阵做归一化处理，并对式（4）简化，且ω=2?仔f，得到系统的固有频率对设计变量的灵敏度关系式为：

2.2 板厚对白车身一阶扭转频率的灵敏度

选取白车身部分部件的板厚为设计参数，进行车身一阶扭转固有频率对板厚的灵敏度分析。采用OptiStruct软件进行计算分析，以一阶扭转固有频率为约束函数，计算出一阶扭转固有频率对板厚的灵敏度。由图3可以看出，后地板、后搁板、侧围、承载地板等部件的板厚对一阶扭转固有频率的灵敏度系数较大，即图3所示部件板厚的改变对车身一阶扭转模态频率影响较大，见图4。

根据模态灵敏度分析的结果可以看出，在进行白车身结构模态频率优化设计时，不能盲目地通过增加部件的厚度来提高车身的某阶固有频率，有必要进行设计参数的灵敏度分析，找出对模态频率影响较大的部件，进而进行合理搭配设计参数。

3 车身结构静态灵敏度分析

3.1 车身结构静态灵敏度分析理论基础

轿车车身扭转刚度灵敏度主要指刚度对设计参数的灵敏度，其中包括车身刚度对板厚和材料的灵敏度，以及车身质量对板厚的灵敏度。其中车身结构的平衡方程为：

式中：K为整体刚度矩阵；F为整体载荷向量；δ为结构的节点位移矢量。采用波前法求解方程组，即可求出结构的节点位移。

用一阶差分计算节点位移对壳单元厚度h的灵敏度：

3.2 板厚对车身静态扭转刚度的灵敏度分析

以白车身总重量为目标函数，车身扭转刚度为约束变量，车身结构部件的材料厚度作为设计变量。通过改变部件的板厚参数，运用式（7）来计算部件板厚的微小变化对静态扭转刚度的影响，即可以得出静态扭转刚度对板厚的灵敏度，灵敏度计算分析结果如图5、6所示。根据扭转刚度灵敏度分析结果可以看出，后地板、侧围及后轮罩等部件的板厚对白车身扭转刚度的灵敏度系数较大，即改变这些部件的厚度，会导致车身结构扭转刚度的显著改变。

白车身结构的整体刚度不仅直接影响轿车车身的承载功能，轿车车身整体刚度低，将降低车身的整体承载能力，影响疲劳强度，进而降低可靠性；同时车身刚度对轿车车身结构安全性也有直接影响，整体刚度不合理，将使轿车车身的碰撞安全性降低。因此在车身结构优化设计时有必要参考车身静刚度灵敏度分析结果，进行设计变量的优化分析，使车身整体刚度得到合理分配。

4 结论

1）车身作为一种大型复杂的结构系统，影响结构性能的设计变量很多，为了避免在车身结构优化中结构修改的盲目性，提高设计效率及减少设计成本，有必要进行白车身结构灵敏度分析。

2）通过灵敏度分析，找出对车身结构性能影响程度较大的结构参数作为车身优化的设计变量，对提高车身结构的性能具有十分重要的意义。

3）同时在车身结构研发设计阶段，应将静、动态灵敏度分析结果结合起来进行比较全面的车身结构优化，从而实现目标性能的有效提高和质量的合理控制。

参考文献：

［１］陈鑫.轿车车身静态刚度分析及结构优化研究［D］.吉林大学硕士研究生学位论文.2003.

［2］兰凤崇，陈吉清.承载式车身覆盖件板厚优化和灵敏度分析［J］.航空制造技术，2005，（3）：61-64.

［3］张平，雷雨成，高翔，汤涤军，肖杰.轿车车身模态分析及结构优化设计［J］.汽车技术，2006，（4）：5-8.

作者：刘盼,夏汤忠,王萍萍,刘文华,袁智,陆志成

轿车车身结构设计论文篇2：

汽车前纵梁碰撞力近似算法

簡介：提出了一种汽车前纵梁碰撞平均力的近似算法，算法中考虑了材料的硬化参数、碰撞速度、结构参数对碰撞力的影响，经试验结果验证较精确。

关键词：近似算法; 汽车前纵梁;结构碰撞

I. 介绍

新能源汽车以其经济环保、舒适便利等优势备受消费者青睐，拥有广阔的市场和重要地位。新能源汽车的安全问题是研发的重要问题，由于其前部吸能空间小，而电池组重量不轻，因此安全设计面临重大挑战。

黄世霖、张金换、王晓冬[1]以及钟志华[2]较早开展了碰撞安全的研究。朱西产、钟荣华开展了薄壁直梁件碰撞性能计算机仿真方法的研究[3]。朱平、张宇、葛龙、林忠钦开展了基于正面耐撞性仿真的轿车车身材料轻量化的研究[4]。朱西产开展了应用计算机模拟汽车碰撞安全性的研究[13]。高卫民、王宏雁、徐敦舸研究了碰撞模拟过程中焊点的影响[14]。姚松、田红旗开展了车辆吸能部件的薄壁结构碰撞的研究[15]。王大志开展了基于乘员保护的汽车正面碰撞结构设计与变形控制的研究[20]。

L Xue等进行了汽车碰撞仿真中铰失效的研究[45]。P Sachin等研究了钢材料点焊的各种失效模式的数值预测[77]。Y. Guo等研究了基于耐撞性的车身刚度链设计方法[78]。H Saputra等研究了汽车吸能盒的能量吸收[80]。

从以往的研究可看出，对于碰撞安全的研究主要集中在仿真和优化算法方面。微小型电动汽车被动安全设计与工程实践中，面临的主要问题是概念设计阶段性能的预判和主要参数的设计优化问题，关于这方面的研究较少，但这是非常重要且急需解决的重大问题，其一是因为微小型电动汽车前部吸能空间小，但国内外的安全法规会越来越严格，人民对安全问题越来越关注，为了满足人民和法规需求，必须设计和制造出安全系数高的新能源汽车;其二是概念设计对于整车设计而言是非常重要的，因为如果概念设计不到位，后期的改动会耗费多几倍的成本和周期。

本文瞄准微小型新能源汽车在概念设计阶段的安全设计与优化问题，拟采用近似模型的方法，以快速有效地设计出满足要求的方案。

II. 算法

经推导，汽车车身纵梁的平均碰撞力的近似模型如等式（1）所示，其中k、n指修正Johnson-Cook方程中的硬化指数和硬化系数，C指材料的弹性模量，t指纵梁板厚，v指碰撞速度，D指截面的等效周长，对于帽形梁D=2*（a+b+f），其中a、b、f的定义见图1。

III. 验证

为了验证提出的算法，利用自制落锤试验台架测试HC420LA汽车板材在10m/s、15m/s、0.01m/s速度轴向的碰撞性能。HC420LA汽车板材在不同应变速率下的真应力-应变曲线如图2所示，经拟合在误差为2.10% 下，得到其修正Johnson-Cook方程，见等式（2），其中εs指应变率，ε0指参考应变率，从中得知k=855.39，n=0.14。

y=（855.39x^0.14）[1+x^（-0.14）×0.01×ln（εs/ε0）] （2）

测试结构如图1所示，其中：a=100 mm; b=80 mm; f=30 mm。测试试验变形如图3所示。测试的力-位移结果如图4所示。试验碰撞力与计算碰撞力对比如表1所示，从中可看出近似计算模型较精确。

IV. 结论

本文采用推导的近似计算公式计算汽车前纵梁平均碰撞力，经试验验证结果较精确，最大误差不超过6%，可以用于碰撞性能设计参考。

致谢

本课题得到了广西科技攻关项目（2019ab1010）和柳州市科技攻关项目（2020GAAC0401）的资助。

参考文献

[1]黄世霖，张金换，王晓冬.汽车碰撞与安全[M].清华大学出版社，2000.

[2]钟志华.汽车碰撞安全技术[M]. 机械工业出版社， 2003.

[3]朱西产，钟荣华.薄壁直梁件碰撞性能计算机仿真方法的研究[J].汽车工程（2）：85-89.

[4]朱平，张宇，葛龙，等.正面耐撞性仿真的轿车车身材料轻量化研究[J].机械工程学报，2005（09）：211-215.

[5]朱西产.应用计算机模拟技术研究汽车碰撞安全性[J].世界汽车，1997（03）：15-16.

[6]高卫民，王宏雁，徐敦舸.碰撞模拟过程中焊点的影响[J].同济大学学报：自然科学版， 2001（7）：870-872.

[7]姚松，田红旗.车辆吸能部件的薄壁结构碰撞研究[J].中国铁道科学，2001（02）：55-60.

[8]王大志.基于乘员保护的汽车正面碰撞结构设计与变形控制研究[D].清华大学， 2006.

[9]Xue L ， Jiang Z X ， Lin Z Q . Study of Joint Failure in Car Crash Simulation[J]. MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY， 2000.

[10]Sachin P ， Hamid L . NUMERICAL PREDICTION OF VARIOUS FAILURE MODES IN SPOTWELDED STEEL MATERIAL[J]. SAE International Journal of Transportation Safety， 2018， 6（1）：09-06-01-0003-.

[11]Guo Y，Liu Z，Qin H.A Design Method of Car Body Stiffness Chain Based on Crashworthiness[J].Automotive Engineering，2018，40（12）：1426-1434.

[12]Saputra H ， Jamasri， Rochardjo H . The prediction of energy-absorption on the car crush box[C]// 2017 3rd International Conference on Science and Technology - Computer（ICST）. IEEE， 2017.

作者：赵尚义

轿车车身结构设计论文篇3：

零件结构对车身质量影响的探析

摘要：在轿车开发过程中，车身质量直接影响到整车的外观、装配和整车性能。车身开发从设计到制造过程中经过多个步骤，每个步骤会因为各种因素导致一定的尺寸偏差，而且偏差会逐级传递，最终导致实际生产后的白车身和设计数据之间存在一定偏差。轿车车身开发过程中，产品设计尤为重要，设计质量的优劣决定产品的固有质量。本文通过实例阐述零件结构设计对车身质量的影响的重要性。

关键词：零件结构;车身质量

汽车车身质量的控制是一个非常庞大的系统工程，涉及到从产品开发、工艺规划、零部件质量控制、焊接及工装品质控制等设计、生产过程中的各个领域。合理的车身设计及生产过程中的工艺处理，是保证白车身质量稳定的基础;轿车车身开发过程中，产品设计尤为重要。与车身质量有关的产品设计一般包括：车身结构三维数模的建立、模具设计、检具设计、夹具设计、工艺设计及规划等。车身结构设计包括零件的成型性、零件的强度、零件的刚度、零件的结构、零件之间的搭接关系、零件的定位、零件的工艺操作性等都直接或间接影响车身质量。

本文主要通过某车型在工业化生产调试阶段出现的缺陷问题进行分析零件结构对车身质量整车装配质量的影响。

1问题描述

某车型在工业化生产调试阶段A柱内饰板装配后，由于与扶手支架孔位对不正，导致扶手装配困难。装配方式：先将A柱内饰板用卡扣连接在A柱扶手支架上，然后用螺栓穿过A柱内饰板将A柱扶手连接在A柱扶手支架上，装配方式如图1所示。

图1 A柱区域装配示意图

2原因分析

通过对产生缺陷的相关零件逐一进行排查分析：A柱扶手支架单件检测合格;A柱内饰板及A柱扶手Cubing匹配验证合格;车身A柱扶手支架及A柱内饰板安装点（如图2所示）三坐标检测4台份数据统计（如表1所示）显示点2和点3在X正方向稳定超差，导致A柱扶手安装困难。

图2 车身A柱安装点示意图

表1 A柱区域三坐标测量统计结果

由于A柱扶手支架自身刚度不足，导致焊接后零件扭曲变形， A柱扶手安装点波动较大，不能满足A柱扶手装配需求。

3实施解决方案

方案一：增加A柱扶手支架强度，减小焊接后零件变形。

方案二：夹具定位方案优化：将零件在夹具上原有使用的圆孔及长圆孔定位，更改为使用A柱扶手在扶手支架上的安装点直接定位，保证A柱扶手的装配，夹具优化的示意如图3所示。