第四章 车身结构刚度和第四章 车身结构刚度和动力学性能设计动力学性能设计

提纲提纲第一节第一节 车身结构刚度设计车身结构刚度设计

一、刚度测试和分析一、刚度测试和分析二、车身整体刚度设计二、车身整体刚度设计三、车身局部刚度三、车身局部刚度

第二节第二节 车身结构的动力学性能设计车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性一、车身振动特性二、车身结构动力学性能设计二、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第三节 结构设计过程与性能实现一、结构方案设计阶段一、结构方案设计阶段二、结构研究阶段二、结构研究阶段三、结构完善阶段三、结构完善阶段四、白车身结构设计完成的总结四、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，引起系统的车身在外界激励作用下将产生变形，引起系统的振动振动

当外界激振频率与系统固有频率接近，或成倍数当外界激振频率与系统固有频率接近，或成倍数关系时，将发生共振关系时，将发生共振• 使乘员感到不舒适使乘员感到不舒适• 带来噪声带来噪声• 部件疲劳损坏部件疲劳损坏• 破坏车身表面的防护层和车身的密封性破坏车身表面的防护层和车身的密封性

汽车设计目标汽车设计目标————高刚度、轻重量高刚度、轻重量• 利于悬架的支持，使车辆系统正常工作利于悬架的支持，使车辆系统正常工作• 利于改进振动特性利于改进振动特性• 节能节能• 提高汽车动力性、经济性、操纵稳定性提高汽车动力性、经济性、操纵稳定性

高刚度、轻重量的关键：结构动力学设计高刚度、轻重量的关键：结构动力学设计

与结构动力学相关的车身结构基础性能与结构动力学相关的车身结构基础性能• 车身静刚度 车身静刚度 车身弯曲、扭转刚度和局部刚度车身弯曲、扭转刚度和局部刚度• 车身动刚度 车身动刚度 模态特征、传递特性模态特征、传递特性

车身刚度最终影响汽车的目标性能车身刚度最终影响汽车的目标性能• NVHNVH （（ NoiseNoise 、、 VibrationVibration 、、 HarshnesHarshnes

ss ）特性）特性• 车身结构耐久性车身结构耐久性

车身结构刚度和动力学性能设计过程：车身结构刚度和动力学性能设计过程：11 ）选定竞争车型，进行对标分析 ）选定竞争车型，进行对标分析 性能水平测试、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、噪声响应等和车身刚度、车身模态、用户界面点振动、噪声响应等22 ）对新设计提出具体目标要求 ）对新设计提出具体目标要求 用户界面点动力响应，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、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、重量和成本耐久性、布置要求、重量和成本33 ）实施车身拓扑构造技术，选择结构方案 ）实施车身拓扑构造技术，选择结构方案 整车水平和整车水平和部件参数关系、构造和性能关系部件参数关系、构造和性能关系44 ）建立车身）建立车身 CAECAE 模型 模型 研究不同设计参数对不同性能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、修改和性能调整性能调整

55 ）结构优化 建立优化模型，反复调整部件的结构参数）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足目标性能各方面要求的最佳方案66 ）试验验证 硬件验证伴随产品开发过程的每个阶段工）试验验证 硬件验证伴随产品开发过程的每个阶段工作作77 ）完善化 物理样机试验出现的问题在投产前后尽可能）完善化 物理样机试验出现的问题在投产前后尽可能完善完善88 ）结论）结论——产品设计的全面评估产品设计的全面评估

车身刚度车身刚度• 整体刚度：决定于部件布置和车身结构设计整体刚度：决定于部件布置和车身结构设计• 局部刚度：局部刚度： 主要是安装部位、连接部位、大面积板壳件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，一般采用如下方法般采用如下方法••刚度测试和分析刚度测试和分析••车身整体刚度设计车身整体刚度设计••车身局部刚度车身局部刚度

对标分析，确定车身的初步目标刚度指标对标分析，确定车身的初步目标刚度指标• 弯曲刚度和扭转刚度弯曲刚度和扭转刚度• 模态频率要求模态频率要求

第一节第一节 车身结构刚度设计车身结构刚度设计

车身的刚度在整车刚度中占有很大成份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：整车刚度和部件刚度的贡献的测量：11 ）整车弯曲刚度）整车弯曲刚度22 ）整车扭转刚度）整车扭转刚度33 ）每个部件的贡献）每个部件的贡献

第一节第一节 车身结构刚度设计车身结构刚度设计一、刚度测试和分析一、刚度测试和分析

部件刚度贡献率

a) 弯曲刚度 b) 扭转刚度

例：例：• 前风窗对整车扭转刚度贡献达前风窗对整车扭转刚度贡献达 15%15% ，对整车弯曲刚度贡，对整车弯曲刚度贡

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

车身刚度测量装置车身刚度测量装置 a)a) 测量弯曲刚度（左、右同向加载测量弯曲刚度（左、右同向加载 FbFb ）） b)b) 测量扭转刚度（左、右反向加载测量扭转刚度（左、右反向加载 FdFd ））

车身整体刚度车身整体刚度• 指车身的弯曲刚度和扭转刚度指车身的弯曲刚度和扭转刚度• 良好的整体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声固耦合的变化而引发高的噪声

利于汽车操纵性利于汽车操纵性

第一节第一节 车身结构刚度设计车身结构刚度设计二、车身整体刚度设计二、车身整体刚度设计

车身整体刚度设计方法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（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（二）车身刚度优化

（一）构造车身基本结构并建立概念设计模型（一）构造车身基本结构并建立概念设计模型 车身基本结构车身基本结构

• 指主要用以传递载荷的车身结构指主要用以传递载荷的车身结构 概念设计模型概念设计模型

• 参考竞争车型结构参考竞争车型结构•考虑采用材料、工艺等先进技术考虑采用材料、工艺等先进技术•兼顾车辆总体布置和造型的要求兼顾车辆总体布置和造型的要求

有限元概念分析模型有限元概念分析模型• 用以分析结构刚度用以分析结构刚度•根据结构的根据结构的 CADCAD 模型建立模型建立•例：例： PBMPBM 模型（基于性质的参数化模型）模型（基于性质的参数化模型）

（二）车身刚度优化（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

指南指南

（二）车身刚度优化（二）车身刚度优化1.1. 优化目标优化目标

• 车身刚度优化的目标是高刚度车身刚度优化的目标是高刚度 //轻重量轻重量• 高刚度高刚度

静刚度指标静刚度指标 车身结构的一阶弯曲和一阶扭转模态频率车身结构的一阶弯曲和一阶扭转模态频率

• 轻重量轻重量应变能计算应变能计算组件的贡献分析组件的贡献分析

（二）车身刚度优化（二）车身刚度优化2. 2. 灵敏度和灵敏度分析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构件截面特性和接头刚度对材料几何尺寸变化的灵敏度的灵敏度

• 结构整体刚度对截面特性、接头刚度或板厚变结构整体刚度对截面特性、接头刚度或板厚变化的灵敏度化的灵敏度

• 选择较灵敏的变量或部位进行修改，引导结构选择较灵敏的变量或部位进行修改，引导结构优化的方向优化的方向

车身整体刚度设计过程总结车身整体刚度设计过程总结11 ）对竞争车型测试参数；）对竞争车型测试参数；22 ）整车和车身刚度的匹配，并分派各子系统刚度指标；）整车和车身刚度的匹配，并分派各子系统刚度指标；33 ）初步构造结构，并建立系统简化分析模型；）初步构造结构，并建立系统简化分析模型；44 ）结构计算研究，包括）结构计算研究，包括

①① 静态扭转刚度和弯曲刚度静态扭转刚度和弯曲刚度②② 计算车身一阶弯曲和扭转模态频率计算车身一阶弯曲和扭转模态频率③③通过灵敏度分析和应变能分布图，进行各部件的贡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，再布置构件确定基献分析，在此基础上进行平衡，再布置构件确定基本尺寸本尺寸

55 ）优化计算）优化计算66 ）建立细化模型，详细结构设计并验证性能）建立细化模型，详细结构设计并验证性能

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、千斤顶作用部位拖钩、吊挂、装运、千斤顶作用部位 安全带固定器安装部位等安全带固定器安装部位等

第一节第一节 车身结构刚度设计车身结构刚度设计三、车身局部刚度三、车身局部刚度

（一）车身支承部位刚度（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在车身刚度设计时，必须对支座区域刚度进行有限元分析

（二）板壳零件刚度（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设计板壳零件尤其要注意提高零件的刚度

（二）板壳零件刚度（二）板壳零件刚度 设计上的考虑设计上的考虑

1.1.板壳零件的刚度取决于零件的板厚及形状板壳零件的刚度取决于零件的板厚及形状2.2.曲面和棱线造型、拉延成型时零件的冷作硬化曲面和棱线造型、拉延成型时零件的冷作硬化3.3.在内部大型板件上冲压出加强筋在内部大型板件上冲压出加强筋4.4.若不允许出现加强筋，可在零件上贴装加强板若不允许出现加强筋，可在零件上贴装加强板5.5.可用沉孔来加强刚度可用沉孔来加强刚度

（三）防止结构中的应力集中（三）防止结构中的应力集中1.1.避免受力杆件截面的突变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接头设计时刚度的逐步变化

例：例：

（三）防止结构中的应力集中（三）防止结构中的应力集中2.2. 孔洞的设计孔洞的设计

• 孔洞会产生应力集中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，如截应尽可能将孔位选在应力较小的部位，如截面中性轴附近面中性轴附近

（三）防止结构中的应力集中（三）防止结构中的应力集中3.3. 加强板的合理设计加强板的合理设计

• 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加强板厚度比被加强件的板料厚，但厚度不宜相差太悬殊

（三）防止结构中的应力集中（三）防止结构中的应力集中4.4. 车身支承部件（前、后轮罩）的设计车身支承部件（前、后轮罩）的设计

• 轮罩零件板厚分级轮罩零件板厚分级

（一）振动模态分析（一）振动模态分析 无阻尼单自由度系统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然状态下振动

多自由度系统多自由度系统• 固有振型、固有频率固有振型、固有频率

模态分析模态分析•无阻尼自由振动系统的特性分析无阻尼自由振动系统的特性分析

第二节第二节 车身结构的动力学性能设计车身结构的动力学性能设计一、车身振动特性一、车身振动特性

（一）振动模态分析（一）振动模态分析 车身振动特性分析车身振动特性分析

• 基于有限元法和线性振动理论基于有限元法和线性振动理论• 弹性系统的振动方程弹性系统的振动方程

（一）振动模态分析（一）振动模态分析 车身的振动特性分析车身的振动特性分析

• 无阻尼自由振动方程：无阻尼自由振动方程：

• 特征方程特征方程

• 特征方程的解特征方程的解 固有频率固有频率

固有振型固有振型

0M K

0MK M

1 20 n

1 2, ,M M Mn

（一）振动模态分析（一）振动模态分析 车身的振动特性分析车身的振动特性分析11 ．车身整体振动模态．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

扭转或弯曲振型扭转或弯曲振型

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

（一）振动模态分析（一）振动模态分析 车身的振动特性分析车身的振动特性分析11 ．车身整体振动模态．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轿车各部分的固有振动频率和激振频率的分布图

（一）振动模态分析（一）振动模态分析 车身的振动特性分析车身的振动特性分析11 ．车身整体振动模态．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轿车各部分的固有振动频率和激振频率的分布图①① 车身低阶模态频率大致在车身低阶模态频率大致在 20~50Hz20~50Hz

避免与底盘系统共振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注意提高车身整体的刚度和部件刚度

②② 在节点处布置动力总成等的悬置点在节点处布置动力总成等的悬置点③③ 车身装上内饰件后，扭转和弯曲频率最多可分别下车身装上内饰件后，扭转和弯曲频率最多可分别下

降降 15%15% 和和 25%25%

（一）振动模态分析（一）振动模态分析 车身的振动特性分析车身的振动特性分析22 ．部件模态分析．部件模态分析

• 注意车身刚度分布注意车身刚度分布例：轿车前车身开口部分刚度优化例：轿车前车身开口部分刚度优化

1.1. 各方案前五阶正交模态、四种工况静刚度对比各方案前五阶正交模态、四种工况静刚度对比2.2. 加强车头与车室连接的刚度、改变该处载荷路径加强车头与车室连接的刚度、改变该处载荷路径

（一）振动模态分析（一）振动模态分析 车身的振动特性分析车身的振动特性分析22 ．部件模态分析．部件模态分析

• 注意车身刚度分布注意车身刚度分布例：轿车前车身开口部分刚度优化例：轿车前车身开口部分刚度优化

（一）振动模态分析（一）振动模态分析 车身的振动特性分析车身的振动特性分析33 ．车身板壳的局部振动模态．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

壳共振壳共振• 车身大型板件共振频率通常在车身大型板件共振频率通常在 440~300Hz0~300Hz 或更高的范围或更高的范围• 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生车内噪声的重要原因 例如轿车地板的共振频率在例如轿车地板的共振频率在 50~60Hz50~60Hz左右，共振时发左右，共振时发

生敲鼓式的声响生敲鼓式的声响

（一）振动模态分析（一）振动模态分析 车身的振动特性分析车身的振动特性分析33 ．车身板壳的局部振动模态．车身板壳的局部振动模态

（一）振动模态分析（一）振动模态分析 车身的振动特性分析车身的振动特性分析33 ．车身板壳的局部振动模态．车身板壳的局部振动模态

（二）车身振动响应分析（二）车身振动响应分析动力学分析动力学分析• 计算系统在激励下的响应，即求方程的通解计算系统在激励下的响应，即求方程的通解

• 应采用车身整备模型，并输入激振力或道路功率谱密度应采用车身整备模型，并输入激振力或道路功率谱密度• 响应：速度、加速度、位移、应力响应：速度、加速度、位移、应力

时间历程分析（振型叠加法、直接积分法等）时间历程分析（振型叠加法、直接积分法等） 响应谱分析（模态响应、模态应力）响应谱分析（模态响应、模态应力） 频率响应分析频率响应分析

（三）振动特性测试（三）振动特性测试试验模态分析试验模态分析•是通过振动模态试验获得表征结构动态特性的模态参数的一种动是通过振动模态试验获得表征结构动态特性的模态参数的一种动态分析方法态分析方法

•对于结构动态特性的预测、测试和修改，试验模态分析是最重要对于结构动态特性的预测、测试和修改，试验模态分析是最重要的技术之一的技术之一

（三）振动特性测试（三）振动特性测试试验模态分析应用试验模态分析应用

（一）主观评价和客观测量（一）主观评价和客观测量

车身刚度和模态不是最终的评价指标车身刚度和模态不是最终的评价指标 汽车的性能指标应体现在使用性能的最终综合水平汽车的性能指标应体现在使用性能的最终综合水平 在设计的最初阶段，对竞争车型进行评价，并测量驾驶在设计的最初阶段，对竞争车型进行评价，并测量驾驶员界面点的振动响应特性员界面点的振动响应特性

第二节第二节 车身结构的动力学性能设计车身结构的动力学性能设计二、车身结构动力学性能设计二、车身结构动力学性能设计

（一）主观评价和客观测量（一）主观评价和客观测量11 ．主观评价．主观评价 由专家实际驾驶和主观评价的方法，评价汽车振动性能。对由专家实际驾驶和主观评价的方法，评价汽车振动性能。对

主观评价认为最好的车型要进行客观测量主观评价认为最好的车型要进行客观测量 例：某公司新蔽蓬车设计，对例：某公司新蔽蓬车设计，对 77 种竞争车型进行评价种竞争车型进行评价

•专家驾驶竞争车型，先后以低速、高速行驶于粗糙路面上专家驾驶竞争车型，先后以低速、高速行驶于粗糙路面上• 评价转向盘、座椅、后视镜等驾驶员界面特征点振动特性评价转向盘、座椅、后视镜等驾驶员界面特征点振动特性

（一）主观评价和客观测量（一）主观评价和客观测量22 ．道路响应测量．道路响应测量 在与主观评价时同样的路面上对三种车型在与主观评价时同样的路面上对三种车型 (( 包括原敞蓬车、闭蓬包括原敞蓬车、闭蓬

车、硬顶车、硬顶 DD 型车型车 )) 的道路响应测量的道路响应测量 结构模态频率是影响车辆结构动力学性能和乘坐感觉的关键指标结构模态频率是影响车辆结构动力学性能和乘坐感觉的关键指标

（二）确定性能指标（二）确定性能指标 竞争车型指标，为新车设计提供了一个清晰的动力竞争车型指标，为新车设计提供了一个清晰的动力

学性能水平。再考虑其它要求，可确定各项性能指学性能水平。再考虑其它要求，可确定各项性能指标标

其它性能要求：其它性能要求：1.1.碰撞安全性碰撞安全性2.2.耐久性耐久性3.3.布置、重量等布置、重量等

（三）性能综合（三）性能综合 综合考虑各种要求，完成一个设计综合考虑各种要求，完成一个设计 充分理解所有性能要求，关键在于弄清整车性能要充分理解所有性能要求，关键在于弄清整车性能要

求与部件设计参数间的关系求与部件设计参数间的关系• 建立基于性质的参数化模型（建立基于性质的参数化模型（ PBMPBM ），可帮助），可帮助弄清这个关系弄清这个关系

此设计初期的过程不能获得确定的设计，只是为后此设计初期的过程不能获得确定的设计，只是为后续优化设计提供一个初始方案续优化设计提供一个初始方案

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计 所提出的车身动力学性能要求，分派到各子系统和所提出的车身动力学性能要求，分派到各子系统和

部件，由其性能保证将来整车性能目标的实现部件，由其性能保证将来整车性能目标的实现 分派指标：分派指标：11 ．模态研究与控制（模态分布图设计）．模态研究与控制（模态分布图设计）22 ．建立系统模型．建立系统模型33 ．动力学计算分析．动力学计算分析44 ．分析流程．分析流程55 ．性能平衡．性能平衡66 ．结构优化．结构优化

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计11 ．模态研究与控制．模态研究与控制• 车辆振动响应是车辆子系统、零部件与道路或车辆振动响应是车辆子系统、零部件与道路或

发动机激励等彼此作用的结果发动机激励等彼此作用的结果•为降低驾驶员界面的振动响应级，必须控制系为降低驾驶员界面的振动响应级，必须控制系

统振动的频率，使其互不耦合并避开通常的激统振动的频率，使其互不耦合并避开通常的激励频率励频率

•需要根据最初对标时所做的分析和测量，以及需要根据最初对标时所做的分析和测量，以及数据库的数据支持，设计模态分布图数据库的数据支持，设计模态分布图

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计11 ．模态研究与控制．模态研究与控制 例：某车型的模态图例：某车型的模态图• 模态间的线段指出为使耦合最小而应隔离的部件模态模态间的线段指出为使耦合最小而应隔离的部件模态激振频率和子系统模态分布图1. 车身在悬架上2. 人坐在座椅上3. 乘员人体（组织器官）4. 发动机在悬置上5. 悬架子系统6. 车身结构弯扭7. 动力总成子系统8. 转向柱子系统9. 风窗子系统

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计22 ．建立系统模型．建立系统模型 在设计的各个阶段在设计的各个阶段 , , 建立相应的系统有限元模型，建立相应的系统有限元模型，

计算和评估性能水平计算和评估性能水平 系统模型有如下几类：系统模型有如下几类：

①① 车身概念模型车身概念模型②② 整备车身模型整备车身模型③③ 车辆系统模型车辆系统模型

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计22 ．建立系统模型．建立系统模型①①车身概念模型车身概念模型 结构参数少，便于各方面的评估和完成概念设计，结构参数少，便于各方面的评估和完成概念设计，也称为概念模型也称为概念模型

用于选择构造；既要在刚度用于选择构造；既要在刚度 //质量方面具有潜力，质量方面具有潜力，又要考虑碰撞、耐久性等方面又要考虑碰撞、耐久性等方面

可能存在有几个概念模型版本，用于不同方案的比可能存在有几个概念模型版本，用于不同方案的比较较

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计22 ．建立系统模型．建立系统模型②②整备车身模型整备车身模型 响应分析必须采用整备的车身模型响应分析必须采用整备的车身模型 整备车身模型是将所有与结构无直接联系的非结构整备车身模型是将所有与结构无直接联系的非结构

质量，如内、外附件等，按集中质量或分布质量附质量，如内、外附件等，按集中质量或分布质量附加到车身结构上的模型加到车身结构上的模型

整备车身模型通常用于仿真计算和优化构造研究整备车身模型通常用于仿真计算和优化构造研究

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计22 ．建立系统模型．建立系统模型③③车辆系统模型车辆系统模型 整备车身模型与如动力总成和底盘等联合在一起组整备车身模型与如动力总成和底盘等联合在一起组

成车辆系统模型，包含模态分布图中全部谐振子系成车辆系统模型，包含模态分布图中全部谐振子系统和全部质量统和全部质量

在整车性能仿真计算时采用的车辆系统模型是整车在整车性能仿真计算时采用的车辆系统模型是整车刚弹耦合模型刚弹耦合模型

有时还需建立部件的分析模型有时还需建立部件的分析模型 用于寻求合适的汽车加速度响应，要求整备车身的用于寻求合适的汽车加速度响应，要求整备车身的

模态频率与激励频率不耦合，以避免共振模态频率与激励频率不耦合，以避免共振

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计33 ．动力学计算分析．动力学计算分析①① 正交模态正交模态

• 计算系统模型中所有子系统的正交模态，并按模计算系统模型中所有子系统的正交模态，并按模态分布图进行匹配和设计调整态分布图进行匹配和设计调整

• 注意车身一阶弯曲模态和一阶扭转模态的目标要注意车身一阶弯曲模态和一阶扭转模态的目标要求求

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计33 ．动力学计算分析．动力学计算分析②② 频率响应频率响应 驾驶员界面点的响应计算驾驶员界面点的响应计算 根据目标级要求，进行结构方案修改根据目标级要求，进行结构方案修改

例：转向盘的抖动

为降低响应，设计时尽量提高转向柱安装支架的刚度，并增大上、下支架的距离 L1

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计33 ．动力学计算分析．动力学计算分析频率响应计算频率响应计算 -- 实例实例

• 悬架支承部位的车身结构局部刚度对车身动力响应影响很大

• 要评价所有车身安装点的动力适应性，即进行机械导纳分析

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计33 ．动力学计算分析．动力学计算分析灵敏度及应用灵敏度及应用 在结构动力学设计时，灵敏度用于引导车身模在结构动力学设计时，灵敏度用于引导车身模

态频率的设计态频率的设计

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计33 ．动力学计算分析．动力学计算分析灵敏度及应用 例：接头刚度对板厚的灵敏度分析；进而灵敏度及应用 例：接头刚度对板厚的灵敏度分析；进而

分析前几阶白车身振动模态对接头刚度的灵敏度分析前几阶白车身振动模态对接头刚度的灵敏度

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计33 ．动力学计算分析．动力学计算分析灵敏度及应用灵敏度及应用 结论结论1.1. 灵敏度分析方法，可从结构整体观察结构。灵敏度信息在研灵敏度分析方法，可从结构整体观察结构。灵敏度信息在研究复合响应和确定载荷路径时很有用究复合响应和确定载荷路径时很有用

例：例：• 对激励变形最灵敏的接头是最危险的接头刚度部件，应对激励变形最灵敏的接头是最危险的接头刚度部件，应注意提高其刚度注意提高其刚度

• 相对变形大且灵敏度低的接头，表明结构的效率低，不相对变形大且灵敏度低的接头，表明结构的效率低，不能充分发挥作用，或者结构不连续，应该考虑重新设计能充分发挥作用，或者结构不连续，应该考虑重新设计

• 如果灵敏度值比较均匀，说明设计中结构平衡较好如果灵敏度值比较均匀，说明设计中结构平衡较好

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计33 ．动力学计算分析．动力学计算分析灵敏度及应用灵敏度及应用 结论结论2.2. 系统模型也用于计算驾驶员界面响应对结构模态频率的灵敏度；从系统模型也用于计算驾驶员界面响应对结构模态频率的灵敏度；从中可看出对界面响应影响较大的子系统，或对于优化子系统模态频中可看出对界面响应影响较大的子系统，或对于优化子系统模态频率最有效的修改结构的部位或修改方向率最有效的修改结构的部位或修改方向

例：某车型正碰保险杠时座椅轨道处加速度峰值和响应均方根值与例：某车型正碰保险杠时座椅轨道处加速度峰值和响应均方根值与车辆结构一阶弯曲和一阶扭转模态频率的曲线关系车辆结构一阶弯曲和一阶扭转模态频率的曲线关系

1- 加速度峰值 2- 响应均方根值

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计44 ．分析流程．分析流程 对于每个构造方案，其子系统和部件特性设计都需按顺序进对于每个构造方案，其子系统和部件特性设计都需按顺序进

行，从初始设计、调整到完善行，从初始设计、调整到完善

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计55 ．性能平衡．性能平衡 设计和优化各子系统时，其结果有时不能满足车设计和优化各子系统时，其结果有时不能满足车

辆的其它方面的要求，必须采取折衷的方法改变辆的其它方面的要求，必须采取折衷的方法改变系统模型使车辆的各方面性能得以平衡系统模型使车辆的各方面性能得以平衡

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计66 ．结构优化．结构优化 利用有限元分析、设计灵敏度分析和数值优化算法，更新结利用有限元分析、设计灵敏度分析和数值优化算法，更新结

构设计参数，使某个给定的响应量在各种约束条件下最小化构设计参数，使某个给定的响应量在各种约束条件下最小化

（四）结构动力学设计（四）结构动力学设计66 ．结构优化．结构优化 结构优化用于车辆的整个开发过程结构优化用于车辆的整个开发过程

• 设计初期着重高刚度设计初期着重高刚度 // 轻质量轻质量• 设计后期优化结构时，将碰撞性能、耐久性和其它非设计后期优化结构时，将碰撞性能、耐久性和其它非

性能要求都作为分析整备车身模型时的约束条件性能要求都作为分析整备车身模型时的约束条件

（五）结构设计（五）结构设计 结构设计阶段结构设计阶段

• 结构方案选择结构方案选择• 结构研究结构研究• 结构设计完善结构设计完善

这三个阶段各种方案的共同特点都是围绕车辆低阶弯曲和扭转模态频率这三个阶段各种方案的共同特点都是围绕车辆低阶弯曲和扭转模态频率进行研究进行研究

例：本节通过某公司例：本节通过某公司 CC55敞蓬车车身设计实例说明结构设敞蓬车车身设计实例说明结构设计的三个阶段计的三个阶段

背景：背景：• 根据对竞争车型水平，公司提出了新设计敞蓬车的性根据对竞争车型水平，公司提出了新设计敞蓬车的性

能要求能要求 一阶结构模态频率是一阶结构模态频率是 21Hz21Hz 二阶结构模态频率不得小于二阶结构模态频率不得小于 23 Hz23 Hz

这是一般轿车的水平，但对敞蓬车是史无前例的这是一般轿车的水平，但对敞蓬车是史无前例的• 根据调查，与新设计车型尺寸类似的敞蓬车，一阶扭根据调查，与新设计车型尺寸类似的敞蓬车，一阶扭

转模态频率在转模态频率在 11~17 Hz11~17 Hz。新设计要实现目标，必。新设计要实现目标，必须对结构设计付出很大努力须对结构设计付出很大努力

第三节第三节 结构设计过程与性能实现结构设计过程与性能实现

设计设计 CC55 的基础是的基础是 CC44敞蓬车，其一阶结构模态频率是敞蓬车，其一阶结构模态频率是13Hz13Hz ，比目标低，比目标低 8Hz8Hz

在最初阶段基于竞争车型和原车型（在最初阶段基于竞争车型和原车型（ CC44 ）载荷路径的了解，）载荷路径的了解，首先力图改进首先力图改进 CC4 4 的结构的结构• 采用连续的通道结构采用连续的通道结构• 焊接闭口截面的保险杠焊接闭口截面的保险杠• 仪表板和座椅背后附加闭口截面横梁仪表板和座椅背后附加闭口截面横梁• 有效地构造前后扭矩盒等有效地构造前后扭矩盒等

形成形成 CC44 的四种不同加强方案，使一阶频率提高的四种不同加强方案，使一阶频率提高 4~6Hz4~6Hz 四种方案中，对提高刚度四种方案中，对提高刚度 //重量最有效的方案是采用地板重量最有效的方案是采用地板

的中间通道结构的中间通道结构

第三节第三节 结构设计过程与性能实现结构设计过程与性能实现一、结构方案设计阶段 一、结构方案设计阶段

11 ．结构方案比较和选择．结构方案比较和选择 结合参考竞争车型结构和新制造技术可行性的研结合参考竞争车型结构和新制造技术可行性的研究，提出了几个新设计的结构方案究，提出了几个新设计的结构方案•都满足总布置、制造、耐久性和碰撞安全性要都满足总布置、制造、耐久性和碰撞安全性要

求求• 每个方案都在一阶结构模态频率为每个方案都在一阶结构模态频率为 23Hz23Hz 的约的约束条件下，进行最轻重量的优化束条件下，进行最轻重量的优化

11 ．结构方案比较和选择．结构方案比较和选择 对多个方案权衡结果剩下三个方案对多个方案权衡结果剩下三个方案

①①整体焊接框架构造整体焊接框架构造②②螺钉连接车身构造方案螺钉连接车身构造方案③③通过橡胶垫连接车身的构造方案通过橡胶垫连接车身的构造方案

11 ．结构方案比较和选择．结构方案比较和选择11 ）方案比较）方案比较 对三个构造方案，都建立最简单的模型（方案对三个构造方案，都建立最简单的模型（方案 cc 有基于同一有基于同一

个底盘的四个版本个底盘的四个版本 C.1C.1 、、 C.2C.2 、、 C.3C.3 、、 C.4C.4 ）） 各方案初始截面尺寸和板厚相同，都采用原先各方案初始截面尺寸和板厚相同，都采用原先 CC44 的典型截面的典型截面

或参考样车的经验值，以此为基础进行优化或参考样车的经验值，以此为基础进行优化

曲线 1— 重量约束为 300kg 时使频率最大化的结果曲线 2— 一阶结构模态频率都约束在 23Hz 时，对三个方案进行重量优化的结果

11 ．结构方案比较和选择．结构方案比较和选择22 ）方案选择）方案选择 比较可见，周边框架和通道结合的整体焊接比较可见，周边框架和通道结合的整体焊接

框架结构的重量效率最高，且其构造明显具框架结构的重量效率最高，且其构造明显具有高刚度有高刚度 // 轻重量的潜力轻重量的潜力

再考虑抗碰撞性，耐久性，以及布置、加工再考虑抗碰撞性，耐久性，以及布置、加工和成本等要求，选择整体框架结构作为新设和成本等要求，选择整体框架结构作为新设计计 CC55 的结构方案的结构方案

11 ．结构方案比较和选择．结构方案比较和选择22 ）方案选择）方案选择 确定结构方案后，新设计的特征就固定下来确定结构方案后，新设计的特征就固定下来 这些特征体现在从前横梁到后横梁之间的连续纵梁及这些特征体现在从前横梁到后横梁之间的连续纵梁及周边框架的路径布置，通道路径和周边梁之间的连接周边框架的路径布置，通道路径和周边梁之间的连接构件（如剪力板、横梁等）的位置等构件（如剪力板、横梁等）的位置等

下一步是研制详细载荷路径的尺寸和板厚，使其最有下一步是研制详细载荷路径的尺寸和板厚，使其最有效地满足所有车身结构性能要求效地满足所有车身结构性能要求

2. 2. 分析模型更新分析模型更新 用于选择车身结构方案的概念分析模型，只是根据概用于选择车身结构方案的概念分析模型，只是根据概念方案和总体布置建立的车身拓扑结构粗模型，或是念方案和总体布置建立的车身拓扑结构粗模型，或是基于性质的参数化模型（基于性质的参数化模型（ PBMPBM ））

模型中梁单元截面的初始参数值参考先前模型中梁单元截面的初始参数值参考先前 CC44典型截典型截面或经验值，从截面尺寸和板厚初始值开始结构拓扑面或经验值，从截面尺寸和板厚初始值开始结构拓扑优化设计优化设计

描述接头的弹簧元或超单元初始值由参考车型局部接描述接头的弹簧元或超单元初始值由参考车型局部接头的详细模型导出头的详细模型导出

3. 3. 多目标优化多目标优化 结构的其它性能，如碰撞性能和耐久性等约束条件，结构的其它性能，如碰撞性能和耐久性等约束条件，再次被组合到整备车身分析模型再次被组合到整备车身分析模型

用多目标集成方法，使结构概念集成在同一个分析用多目标集成方法，使结构概念集成在同一个分析模型中并进行优化和评估，使重量最小化模型中并进行优化和评估，使重量最小化

当载荷路径、路径的截面尺寸以及全部板结构的零当载荷路径、路径的截面尺寸以及全部板结构的零件板厚都初步确定后，概念设计完成件板厚都初步确定后，概念设计完成

44 ．结构定义和详细说明书．结构定义和详细说明书 为确认结构概念设计，要提供一个结构详细说明书为确认结构概念设计，要提供一个结构详细说明书 说明书要写明达到刚度和重量要求的所有载荷路径、说明书要写明达到刚度和重量要求的所有载荷路径、

相关尺寸和零件板厚度相关尺寸和零件板厚度 说明书列出四个图表说明书列出四个图表

• 载荷路径位置表载荷路径位置表• 载荷路径截面性质表载荷路径截面性质表• 接头刚度说明表接头刚度说明表• 结构板零件厚度表结构板零件厚度表

44 ．结构定义和详细说明．结构定义和详细说明书书

例：截面性质表和接头例：截面性质表和接头刚度说明表的示例刚度说明表的示例• 主要是周边框（门主要是周边框（门槛）、风窗柱、前槛）、风窗柱、前保险杠横梁与纵梁保险杠横梁与纵梁之间接头等的说明之间接头等的说明

新车开发的过程中，还需进行各子系统间的性能新车开发的过程中，还需进行各子系统间的性能再平衡工作：再平衡工作：

①① 结构设计灵敏度分析结构设计灵敏度分析②② 在已经确定的性能水平下的结构调整在已经确定的性能水平下的结构调整③③ 基于总体性能的结构研究基于总体性能的结构研究④④ 物理样机验证物理样机验证

第三节第三节 结构设计过程与性能实现结构设计过程与性能实现二、结构研究阶段二、结构研究阶段

1.1. 结构设计灵敏度分析结构设计灵敏度分析2.2. 通过性能灵敏度分析，查出载荷路径、接头或板厚的改变对车辆结构前几阶弯曲通过性能灵敏度分析，查出载荷路径、接头或板厚的改变对车辆结构前几阶弯曲

和扭转模态频率影响的灵敏度和扭转模态频率影响的灵敏度 对性能灵敏度小的区域是可被再平衡的区域，因为这个区域的变化对结构性能影对性能灵敏度小的区域是可被再平衡的区域，因为这个区域的变化对结构性能影

响最小响最小

2. 2. 在已经确定的性能水平下的结构调整在已经确定的性能水平下的结构调整 在进一步平衡过程中，灵敏度分析结果提供了方在进一步平衡过程中，灵敏度分析结果提供了方向。但是往往在设计过程中由于大量的平衡工作向。但是往往在设计过程中由于大量的平衡工作使得其他子系统发生变化，造成新的要求或者约使得其他子系统发生变化，造成新的要求或者约束的变化束的变化

设计初期，结构变化对性能影响较大；在设计过设计初期，结构变化对性能影响较大；在设计过程后期，方案研究更详细，但对性能的影响却逐程后期，方案研究更详细，但对性能的影响却逐步变小，只能在已经确定的性能水准下进行结构步变小，只能在已经确定的性能水准下进行结构调整调整

3. 3. 基于总体性能的结构研究基于总体性能的结构研究 车身是一个大的子系统，它会影响车辆的几乎所有车身是一个大的子系统，它会影响车辆的几乎所有

子系统的设计，伴随着影响多方面的综合性能子系统的设计，伴随着影响多方面的综合性能

为便于从整车水平对每个阶段的结构进行再平衡，为便于从整车水平对每个阶段的结构进行再平衡，需列表研究每一个结构方案的变化与整车水平的关需列表研究每一个结构方案的变化与整车水平的关系系

44 ．物理样机验证．物理样机验证 分析模型是使结构设计满足高刚度分析模型是使结构设计满足高刚度 //轻重量的有效工轻重量的有效工

具，而且分析方法是成熟的、经过验证的具，而且分析方法是成熟的、经过验证的 对于一个完全新的设计来说，物理样机认证仍非常重对于一个完全新的设计来说，物理样机认证仍非常重

要，包括整车性能的全面测试要，包括整车性能的全面测试

车身结构设计车身结构设计• 从项目起动开始，就着手竞争车型的调查和水平测试从项目起动开始，就着手竞争车型的调查和水平测试• 在总布置设计和造型设计阶段，就同时开始选择车身结构在总布置设计和造型设计阶段，就同时开始选择车身结构

方案，并着手提出性能指标和要求方案，并着手提出性能指标和要求• 车身总体布置和外形冻结时，车身结构设计全面展开车身总体布置和外形冻结时，车身结构设计全面展开

通过结构概念设计、结构研究，新设计的车身结构的分析和通过结构概念设计、结构研究，新设计的车身结构的分析和硬件认证都证实了车身的大多数性能目标已经达到硬件认证都证实了车身的大多数性能目标已经达到

下一步是完善结构设计，以确保最优的性能，并引导车辆各下一步是完善结构设计，以确保最优的性能，并引导车辆各方面要求的再平衡方面要求的再平衡• 结构研究结构研究• 最终零件板厚最佳化最终零件板厚最佳化• 硬件（样车）再造硬件（样车）再造

第三节第三节 结构设计过程与性能实现结构设计过程与性能实现三、结构完善阶段三、结构完善阶段

车身结构设计分三个阶段：车身结构设计分三个阶段：11 ）方案设计阶段）方案设计阶段

• 布置车身载荷路径布置车身载荷路径• 构造结构拓扑模型构造结构拓扑模型• 初步选择构件尺寸参数初步选择构件尺寸参数• 通过简化模型的计算模拟和方案比较，确定初步设计方案通过简化模型的计算模拟和方案比较，确定初步设计方案

22 ）结构研究阶段）结构研究阶段• 仔细研究具体结构，对子系统和零件结构和制造工艺进行分仔细研究具体结构，对子系统和零件结构和制造工艺进行分

析和优化析和优化• 考虑各方面性能要求和成本，进行系统性能平衡考虑各方面性能要求和成本，进行系统性能平衡

33 ）完善设计阶段）完善设计阶段• 对结构参数进行进一步优化，通过不断细化的模型模拟计算对结构参数进行进一步优化，通过不断细化的模型模拟计算

结构特性，反复修改和完善，使结构性能达到目标性能结构特性，反复修改和完善，使结构性能达到目标性能• 进行样车试制和验证；估算成本和重量进行样车试制和验证；估算成本和重量

第三节第三节 结构设计过程与性能实现结构设计过程与性能实现四、白车身结构设计完成的总结四、白车身结构设计完成的总结

最后必须完成的工作：最后必须完成的工作：①① 将产品优化结果集成到数控模型将产品优化结果集成到数控模型②② 将产品详细的装配说明存入产品数据文件中将产品详细的装配说明存入产品数据文件中③③ 为总成件和零部件组成设计模型为总成件和零部件组成设计模型④④ 通过计算和仿真模拟证明整车产品特性通过计算和仿真模拟证明整车产品特性⑤⑤ 建立和维护汽车零件表建立和维护汽车零件表⑥⑥ 进行产品数据的文件存档进行产品数据的文件存档