乘用车轻量化问题研究.docx

1、沈阳航空航天大学毕业设计（论文）摘要以有限元法为基础的车身结构分析己成为一种面向车身结构设计全过程的分析方法，车身结构设计的过程也随之成为一种设计与分析并行的过程。现代车身结构分析不仅赋予了车身结构设计新的特点，促进了现代车身结构设计新趋势的形成，而且已成为车身结构设计中最有意义的内容。本次毕业设计的说明书主要包括：乘用车结构以及选材现状、乘用车减重面临的主要问题、总体轻量化设计方案、CATIA车身三维模型。通过对乘用车结构以及材料的分析进而对汽车现阶段轻量化主要方案进行确定，最后进行了CATIA实体建模与有限元分析，输出并优化结果。关键词：轻量化；车身；强度分析；CATIA；有限元分析Abs

2、tractThe structure analysis of car body based on the FEM is the fundamental approach in the process of car body designorientedAlso，the whole process of Car body design becomes parallel in designing and analyzingNew character and trends of car structure design come into being from modem analysis of c

3、ar body structureAnd they are significant in the design processKeywords: Weightlight; Car body; Strength analysis; CATIA; Finite element analysis目录第一章 绪论11.1乘用车轻量化设计研究的背景及意义11.2乘用车轻量化的主要途径21.3现代汽车车身结构设计的特点51.4汽车车身轻量化的研究现状与发展61.4.1轻量化车身结构分析与优化技术61.4.2轻量化材料及其在车身制造中的应用7第二章 轻量化面临的主要问题82.1引言82.2我国乘用车轻量化存

4、在四大难点8第三章 总体轻量化的方案103.1引言103.2基于多材料的轻量化车身103.3材料与工艺的初选12第四章 车身结构分析的有限元理论144.1有限元基本理论144.1.1 基本概念144.1.2有限元的基本步骤144.2作用在车身、车架上的载荷154.3有限元分析软件介绍16第五章 车身薄壁梁部件轻量化优化选材与设计175.1引言175.2材料性能指数的概念175.3车身薄壁梁部件材料性能指数的建立195.3.1薄壁梁部件耐撞性设计的材料性能指数205.3.2薄壁梁部件刚度设计的材料性能指数255.4车身薄壁梁部件的选材与多材料车身结构轻量化设计275.4.1车身薄壁梁部件刚度材料

5、性能指数计算285.4.2车身薄壁梁部件碰撞材料性能指数计算315.4.3车身薄壁梁部件的材料选择与车身性能分析31第六章 基于CATIA的车身结构实体建模336.1引言336.2乘用车主要部件建模346.2.1车身边梁建模346.2.2发动机盖356.2.3车壳建模356.2.4车门366.2.5车身地板366.2.6车内室与后备箱376.3整车身展示37参考文献38总 结39致谢40V第一章 绪论1.1乘用车轻量化设计研究的背景及意义随着人们对汽车安全性、舒适性、环保性能要求的提高，汽车空调、隔热隔音装置、卫星导航系统、无线电通讯、电视机甚至卫生间等设备越来越多的被安装到汽车上，这无形中增

6、加了汽车的质量、耗油量和耗材量。从汽车产品的整个生命周期看油耗费用是汽车生命周期总费用的主体，占汽车生命周期费用的71%，汽车客户迫切希望降低油耗费用以节约后期的运行成本。要使汽车省油，首选措施是让汽车“瘦身”，减少车辆自身质量和降低制作成本。据统计，客车车身质量占汽车总质量的 25%30%，车身制造成本占整车制造成本的比重超过50%。因此车身轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用。轻量化的目的就在于确保车体强度、刚度的前提下，减轻车身骨架的质量，不仅可以减少钢材和燃油的消耗，减少污染排放，提高车速，改善汽车起动和制动性能，而且可有效减少振动和噪声，增加汽车和公路使用寿命。据中国汽车工业协会

7、的统计显示，2009年我国汽车产量达到1379万辆，首次超越美国，成为世界第一大汽车生产国。图1.1 我国汽车产量 汽车在给人们的出行带来方便的同时，也产生了油耗、安全和环保三大问题。如何应对三大问题，各国政府都提出了相应的措施。包括制定条令法规，如油耗法规，安全法规以及排放法规。各国汽车工业界一致认为，汽车轻量化是满足上述三个法规的有效手段和方法。汽车车身不仅组成零件繁多，而且结构复杂。在现代轿车的设计开发过程中，轿车车身大多数采用全承载式结构。以普通轿车白车身为例，它是钢板冲压件焊接而成的空间板梁组合壳体，由400500多个冲压件组成。一般地，汽车车身及其附件的质量约占整车质量的30%40

8、%，车身的轻量化是实现整车轻量化的重点和关键。另一方面，车身质量的减小，可以改善悬架和动力传动系统的负荷，从而可以进一步减轻这些总成的质量。可以说，轻质汽车车身是汽车提高动力性、降低油耗、节约材耗、降低成本的关键，车身轻量化已成为当前汽车工程的重要研究课题和目标之一。综上所述，持续增加的汽车保有量与日益短缺的能源供给以及愈加严峻的环境问题的矛盾不断深化，为了缓解这一矛盾，迫切需要研究汽车的节能降耗技术。汽车的轻量化可以在保持汽车增长的状况下有效降低能源消耗和缓解巨大的环境压力，汽车车身轻量化技术的研究，对于汽车工业的健康可持续发展，以及我国社会发展、能源战略都具有重大意义。1.2乘用车轻量化的

9、主要途径减轻汽车质量的主要途径包括车身结构的优化设计和使用轻量化材料，此外，先进成形工艺或连接工艺的应用也能带来明显的轻量化效果。一般全钢结构白车身通 过优化设计可以减重7%左右，采用铝合金的车身可以带来30%50%的轻量化效果， 而想减轻更多的重量就只能求助于纤维复合材料。 车身的结构优化是指在车身设计阶段，应用CAE/CAD/CAO一体化技术,用数值模拟技术代替实车试验,对车身进行静刚度、振动、疲劳和碰撞等结构性能分析。得到车身的力学结构性能，并应用现代优化技术对车身结构进行优化。在确保车身的 功能 、性能和质量的前提下，去除冗余材料，使车身部件精简化、小型化、薄壁化和中空化，以达到减轻车

10、身重量的目的 。轻量化材料的使用是车身轻量化的重要手段，在确保汽车综合性能指标的前提下，使用轻质材料来制造车身，可以很大程度减轻车 身的质量 。目前，在国内外汽车上应用较多的轻量化材料有铝合金、镁合金、高强度钢、塑料及复合材料等 。美国PNGV计划中明确提出选用新材料,包括高强度钢、 铝、镁、 钛合金、塑料及复合材料等来实现减小汽车自身重量的目的。表1.3列出 1980、1990以及2000年美国中型轿车主要材料构成比例，从中可以看出，汽车上使 用钢铁材料的比例逐年减少，而铝合金等轻量化材料的比例不断上升。但是，由于钢 材在刚度、强度、碰撞能量吸收能力、回收利用尤其是成本方面具有综合的优越性。

11、所以目前汽车车身主导地位的制造材料仍然是钢材 。表1.1美国中型轿车主要材料构成比例年代钢铁（%）铝合金（%）塑料（%）其他材料（%）198069.04.09.018.0199060.05.512.520.0200051.012.018.019.0通过替换材料实现轻量化有两个途径：一是使用同密度、同弹性模量、而强度高 的材料代替原有的材料，如高强度钢等。二是使用密度小、比强度高的材料代替原有 的材料，如铝合金、镁合金、塑料及其复合材料等。表列出常用几种轻量化材料减重 效果及相对成本。表1.2轻量化材料减重效果及相对成本轻量化材料被替代的材料减小质量（%）相对成本（每个零件）高强度钢普通低碳钢1

12、01铝合金钢、铸铁40601.32镁合金钢、铸铁60751.52.5镁合金铝合金253511.5玻璃纤维增强复合材料钢253511.5除了结构优化技术和使用轻量化材料，采用先进的生产制造工艺(如拼焊板技术、液压成形和激光焊接等)也是车身轻量化研究的一个方向，例如: (1)拼焊板技术是指按照车身零件各个部位不同的性能要求，分别使用不同的材料或不同厚度的材料，使其焊接在一起，然后进行冲压成形获得所需零件形状的一种工艺。拼焊板的使用可以减少零件的数量、降低生产成本、减轻零件的质量，因此拼焊板在汽车领域得到越来越广泛的研究和应用。 (2)自从20世纪90年代，液压成形技术的研究不断深入，并在汽车工业中

13、得到广泛应用。液压成形是指利用液体传力介质代替凸模或凹模来加工零件的一种塑性加工技术。液压成形技术不但可以保证成形件的强度、刚度及其分布的均匀性，还可以提高产品质量和成形极限，可以在满足强度的要求下减轻零件的重量。 (3)近10多年来，激光焊接技术在工业发达国家的汽车工业中得到了迅速发展，单车激光焊缝的总长度可达73m，已成为行业技术标准和确定工艺。激光焊接可以提高车身部件连接的静态和动态强度，从而可以减轻车身重量。此外，激光焊接还可以方便地连接铝合金以及拼焊异种金属薄板。各种轻量化途径不是各自孤立，而是相辅相成 、相互联系的。结构优化技术是轻量化设计的基础，无论普通低碳钢车身还是轻质材料车身

14、都需要优化设计车身的结 构，去除冗余材料。在优化设计和使用轻量化材料时往往需要革新制造工艺，而新工 艺的引进往往扩大优化设计和新材料的适用范围。1.3现代汽车车身结构设计的特点现代汽车车身结构设计己经呈现以下特点：(1)轻量化成为车身结构设计所普遍追求的目标。轻量化的研究最早是从沃尔沃汽车公司的LCP(the Volvo Light Component Project)2000开始的。虽然它的出现是上世纪七十年代的两次石油危机造成的，但美国钢铁研究所推出的ULSAB(the Ultra Light Steel Auto Body)和奥迪汽车公司推出的Audi AS铝制车身却完全地表明，在激烈的

15、市场竞争中，设计出质量更轻、成本更低的车身己成为一种有力的竞争手段。(2)舒适性和安全性仍是车身结构设计中所考虑的主要内容。八十年代以来，承载式(包括带有副车架的)车身结构形式已成为轿车车身的主要结构形式，而这种车身结构形式所带来的乘坐舒适性的影响，又重新吸引了众多车身工程人员的注意。 (3)利用现代车身工程手段，缩短车身结构的开发周期。缩短整车的开发周期，已成为各汽车制造商提高自身竞争力一项重要举措。车身结构开发周期的缩短，不仅可以节省产品开发费用，还可以提高企业对瞬息万变的市场的适应性，在市场竞争中以快取胜。(4)在汽车车身结构设计过程中，设计与分析并行。车身结构分析参与车身结构设计的各个

16、阶段，贯穿整个设计过程，从一开始的构造选择，为结构设计提出具体的性能参数要求，到具体设计方案的比较确定，设计方案的模拟试验。这样确定的车身结构设计方案，基本上就是定型方案，据此试制而成的样车，只需一定的验证试验即可定型。这样，车身的研制周期被大大缩短了。(5)优化的思想在设计的各个阶段被引入。对轻量化的要求和对舒适性及安全性要求的不断提高，使车身设计的难度越来越大，优化设计的思想能有效地缩短轿车车身的开发周期。对应于现代轿车车身结构设计的以上特点，现代轿车车身分析就越来越重要。现代轿车车身分析贯穿于车身结构设计的整个过程的每一个方面，对轿车车身的诸多方面都有很大的影响，比如车身结构可靠性和耐久

17、性、车身NVH性能、结构轻量化、车身密封性、轿车的静态和动态特性、以及车身动力特性等。1.4汽车车身轻量化的研究现状与发展1.4.1轻量化车身结构分析与优化技术近年来，随着高性能计算机技术的不断发展和数值计算方法的深入研究，结构分析和优化技术日趋成熟，并逐渐应用到车身各个设计阶段。以有限元方法为主体的车身结构分析，避免了设计的盲目性、减少了设计成本以及缩短了车身结构的开发周期。以有限元法为基础的车身结构分析已成为一种面向车身结构设计全过程的分析方法，车身结构设计的过程也成为一种设计、分析和优化并行的过程，优化的思想在设计的各个阶段被引入. 有限元法在汽车结构分析上的使用可以追溯到20世纪60年

18、代中期，并在20世纪80年代得到普及。但是早期的有限元分析多用于车身模态或静刚度等线弹性分析，而汽车耐撞特性计算机模拟技术直至1985年之后才开始迅猛发展并得到大量应用。在这之前，限于当时的理论水平，人们还不可能对汽车碰撞这种复杂的力学问题有深入全面的了解，当时主要依靠多刚体系统动力学方法和机械振动学方法来进行汽车碰撞响应分析。1985年之后，显式有限元方法研究获得突破，标志着汽车碰撞仿真研究新时期的开始。动态非线性显式有限元方法采用中心差分法，可以用来计算具有大位移、大变形、复杂接触和高速冲击等特性的复杂力学问题。动态显式有限元方法的发展，为汽车整车碰撞安全性及部件的抗碰撞特性的研究提供了有

19、力工具，许多学者籍此对汽车碰撞安全性进行了深入研究和分析，主要包括整车的碰撞安全性分析、关键零部件的吸能模式和机理研究等。 有限元方法作为一种分析手段，其主要功能是对给定设计进行精确评价和校核。传统的车身结构设计过程为，设计人员根据分析结果依靠经验和直觉提出改进方案，然后重新分析和校核，直到找到一个满意的设计。这种设计过程不仅耗时费力而且容易出错，并且得到的结果仅仅是一个可行方案，而非最优设计。随着计算机技术的发展，有限元分析方法与计算机辅助优化技术相结合，成为车身结构优化设计有效方法，并开始在车身开发中得到应用。 早期的车身结构优化的基本思想是，将数学规划理论与有限元方法相结合，构建车身结构

20、优化设计模型，基于数学规划算法进行迭代计算，直到找到最优解。随着结构分析能力和手段的不断完善，以及现代优化理论的不断发展，车身结构优化的研究范围己从基于刚度及模态等单一准则优化发展到考虑结构耐撞性优化在内的多学科优化设计。 近年来，车身结构的耐撞性能优化得到广泛研究并取得重要进展。由于显式有限元分析需要非常小的积分时间步长，使得借助显式有限元方法进行汽车碰撞仿真分析的计算时间相当长。而优化设计通常需要经过多次反复迭代计算才可以完成，这样使得完全集成有限元分析进行优化迭代变得不太可能。此外，由于碰撞分析的响应函数的导数大多不是连续函数，使得直接应用序列二次规划等基于梯度的优化算法进行求解变得困难

21、。鉴于此，研究人员针对薄壁构件、车身部件乃至整车结构的耐撞性能优化设计技术开展了广泛的研究。1.4.2轻量化材料及其在车身制造中的应用 经过几十年的发展，国内外在汽车轻量化材料技术的开发以及材料特性研究领域取得了突破性进展，已经形成了从新材料的开发、零部件设计、制造到材料回收再利用等一整套产业化技术。随着政府及公众对汽车产业的能源和环保方面的要求越来越高，铝、镁合金等轻质材料在车身上的应用范围日益增加。鉴于铝合金、镁合金等材料对于车身轻量化的优越性和强大的竞争力，钢铁企业迅速发展高强度钢铁材料，一度引发了一场“金属材料之战”钢铁业、铝业等都纷纷制定出为汽车减小质量的研究计划。对于轻量化材料车身

22、研究而言，近年来主要形成两大阵营:高强度钢汽车车身和全铝合金汽车车身。此外，塑料等非金属材料以及镁合金等材料在车身上的应用研究也取得重要成就。第二章 轻量化面临的主要问题2.1引言专家认为，汽车轻量化是在保证汽车整体品质和性能不受影响甚至提高的前提下，尽可能降低汽车产品自身重量，追求高输出功率、低噪声和良好的操控性、高可靠性等;汽车轻量化主要通过合理的结构设计和使用轻质材料的方式来实现。 从上世纪80年代开始，受国际石油资源紧张和中东局势的影响，石油价格不断上涨。各汽车制造商不得不采取多种轻量化措施，诸如紧凑化技术，广泛采用镁、铝轻合金和工程塑料，采用钢、铝、塑料混合结构车身以及超轻钢制汽车技

23、术等，以遏制汽车整车整备质量上升趋势。近年来，各国汽车制造商围绕节能、节材、环保、降低成本以及提高动力性、经济性、可靠性、安全性及舒适性等方面开展新技术、新材料、新工艺、新产品的研究，主题就是汽车轻量化。根据最新资料显示，近20年来，国外乘用车平均每10年减重8%9%，商用车减重10%15%;预计在未来10年内，轿车自身重量还将继续减轻20%。在我国，目前自主品牌轿车的重量比发达国家同类轿车重10%15%，我国自主品牌汽车在轻量化方面与国外汽车相比，存在明显差距。2.2我国乘用车轻量化存在四大难点 近几年，随着科学发展观的逐步树立和深入人心，随着国家节能减排、绿色环保政策法规的逐步建立和实施，

24、随着资源节约型、环境友好型社会建设步伐的加快，汽车轻量化概念为越来越多的企业所重视;围绕汽车轻量化问题，一些企业、研发机构和高校开始行动。不少合资企业在外方的技术支持下，汽车轻量化也搞得很有起色。然而在自主品牌占绝大多数的乘用车领域，轻量化却很难付诸实践，困难重重，阻力不小。主要存在“四大难点”。难点一，企业态度不积极。 有专家指出，在汽车轻量化方面，汽车生产企业步伐有些慢。原因固然是多方面的，但乘用车企业的态度不积极还是主要原因。中国汽车工程学会副秘书韩镭也认为，乘用车企业对轻量化的需求没有那么迫切。难点二，用户需求不迫切。 韩镭认为，虽然在很多技术上可以向国外借鉴，但是乘用车的轻量化还要考

25、虑一些其他因素。首先要满足用户。用户要根据自己的工作环境，提出相关的要求，向企业下定单。轻量化是不可避免的，但用户不会提出相关的要求。难点三，技术上的进步难以发展目前轻量化方案主要是从材料与结构上入手，但是国内外轻量化发展到现在似乎达到了一个瓶颈，手段与方法略显单一。而且各个企业对轻量化也不甚关注，虽然都有些研究，但重点并不放在这里。这就使轻量化的技术要求，无法再进一步。难点四，材料上无法满足要求国内外，各大企业都在寻求与发明合成更加新颖与先进的材料。对于结构上很难再进一步，国外有很多的概念型车非常满足轻量化的要求，但就成本而言问题就非常大了。单就材料种类而言，合成纤维材料非常好，可是成本就差

26、强人意了。前几年，一些国外制造出了低成本、高强度、质量轻的合成塑料，但是一旦这种材料作为汽车车身而损坏，会导致难以修理，会要换整个车壳。所以，对于材料上还要下一番功夫不可。原一汽技术中心副总工程师沈言行指出，在欧、美、日降低车重主要是应用新材料，铝、镁合金和工程塑料应用都比较广泛。一些自动阀如果用塑料代替金属件，车重至少就可以减轻一半。这些国家在20年前就开始研究新材料的应用。我国起步晚，与他们相比，还有不少的差距。第三章 总体轻量化的方案3.1引言 车身结构优化技术己经取得显著进步并且日趋深入。车身设计过程中，就车身结构分析而言，已从解析法和经验设计法发展到采用有限元方法分析车身结构性能;就

27、车身结构优化而言，已从传统优化设计中仅限于基于刚度、强度或模态单一准则优化发展到考虑结构耐撞性优化在内的多学科优化设计，已从对车身单一零部件的分析和优化发展到对白车身乃至整车进行结构优化。然而可以看到，对于结构耐撞性优化设计问题，目前对试验设计方法和近似模型的选择上具有一定的随意性和不确定性，需要在兼顾计算效率和准确性的基础上，合理评价和选择试验设计方法与近似模型。 国内外在汽车轻量化材料技术的开发以及材料特性研究领域取得了突破性进展，已经形成了从新材料的开发、零部件设计、制造到材料回收再利用等一整套产业化技术。随着政府及公众对汽车产业的能源和环保方面的要求越来越高，铝、镁合金等轻质材料在车身

28、上的应用范围日益增加。 本文以汽车车身为对象，基于合适的材料用于合适的部位的设计思想，综合考虑车身结构性能、质量，研究多材料车身轻量化设计方法。3.2基于多材料的轻量化车身 宝马汽车公司的Ludke和Woltmann以BMW车型的更新换代为例，阐述了成本、质量、材料和设计之间的关系，如图3.1所示。A处为初始设计，通过结构优化设计(从A到B)，可以得到最优的轻量化设计B，此时质量和成本同时减小。若结合轻量化材料和结构优化设计，质量还可以进一步减小(从B到C)，但是由于采用轻质材料，成本将不断增加。C处为最佳的材料选择和结构设计，该处轻量化效果显著，而成本增加不多。 轻量化材料的使用可以大大减轻

29、车身的质量，但是轻量化材料的价格一般要远远高于普通低碳钢的价格，因此轻量化材料车身的成本会比现有普通钢车身的成本高很多，比如奥迪A8的全铝合金车身的成本要远远高于普通钢车身的成本。当前，高的成本是阻碍铝合金、镁合金、复合材料等轻量化材料在车身上全面应用的一个主要原因。 鉴于此，一些学者建议，未来的轿车车身将由钢和一些轻质材料共同制造，即多材料结构的车身。多材料结构设计代表了今后汽车车身结构的发展趋势。 随着对各种轻量化材料特性的深入研究和成形、连接工艺的不断革新，汽车车身零部件的选材范围逐渐扩大。另一方面，汽车车身结构复杂，组成的零部件繁多，现代轿车的全承载式车身各个部件的结构性能要求各不相同

30、。这就要求“合适的材料用于合适的部位”，这就是多材料结构车身设计的核心思想。相对于单一材料车身，多材料结构车身允许分配给车身各个零部件最合适的材料，可以充分利用各种材料的优点，从而在满足零部件性能的前提下，以最小的代价获取最大的轻量化效果。 虽然己经有一些汽车公司尝试使用多种材料制造车身，比如宝马全新5系和奔驰S级Coupe等轿车，但是目前大多依靠对比分析和评价不同材料车身的性能的优劣的方法进行选材，而专门针对多材料结构的车身设计方法还未见报道。目前，在轻量化车身设计方面，已对单一材质车身(比如高强钢车身或全铝合金车身)设计进行了广泛的研究，但在多材料结构轻量化车身的设计方法与技术方面，尚缺少

31、系统、深入的研究，而这对于试图在成本约束下进一步减小车身质量的汽车工业，是迫切需要的，也是本论文研究的出发点和目的所在。3.3材料与工艺的初选钢铁是汽车工业最常用的材料，以往大多数设计人员会不假思索地把钢铁确定 为汽车车身的制造材料。然而随着对车身轻量化要求的不断提高，轻质材料越来越 多地引起汽车设计人员的关注。选择何种材料制造车身或部件成为一个现实的问题。 材料与工艺初选的目的是，剔除成本上或工艺上明显不可行的材料与工艺，确定 候选的材料和工艺组合，以便后续进一步的分析、对比和评价。这里以普通低碳钢 （Mild）、高强度钢、铝合金和镁合金作为候选材料。其中，普通低碳钢的主要优点是弹性模量大、

32、成形性和连接性好，而高强度钢具有较高的强度，可以用来在保证相 同强度条件下减薄零件的厚 度，但钢的主要缺点是密度比较大，铝合金密度较小、比强度高、耐腐蚀性好，已经成为仅次于钢的汽车用金属材料，而镁合金密度为铝合 金的2/3，从资源、节能的角度来说，镁合金也是车身轻量化比较理想的材料。铝合金和镁合金的主要缺点是材料价格较高和弹性模量较小。表2.1选的几种材料的材料参数，其中设定铝为2000系列，镁为AM60镁合金。表 3.1材料及其参数材料弹性模量（GPa）密度屈服强度(MPa)拉伸强度(MPa)材料价格(/kg)Mild钢2107.841602500.66高强度钢 2107.84 360 44

33、0 0.88铝合金 722.72 276427 2.2镁合金 451.84 131 241 2.86 表3.2列出了备选的材料和工艺组合，每种组合对应惟一编号。冲压成形是汽车车身最常用的成形工艺，但是要受到较为严格的成形极限的限制，比如冲压的最小圆角一般需要满足一定的设计准则，否则会引起裂纹或起皱等缺陷。其次，冲压模具一般价格比较昂贵，而且车身零件往往需要多个成形工艺才可以得到满足的形状，这就需要多个模具。冲压成形的主要优点是生产节拍快，一般只需要十几秒就可冲压出满足要求的零件。液压成形是指利用液体传力介质代替凸模或凹模来加工零件的一种塑性加工技术。液压成形技术不但可以保证成形件的强度、刚度及

34、其分布的均匀性，还可以提高产品质量和成形极限。相对于传统冲压成形而言，液压成形使用的压力机成本要高一些，但是由于液压成形只有上模或下模，而且可以对复杂形状零件一次成形，其模具成本要低得多。但是液压成形生产节拍较慢，一般需要30秒以上。由于镁的延展性差，很难利用塑性加工直接将其做成大尺寸的复杂形状，所以压铸工艺是镁合金零件成形的主要方法。在压铸工艺中，高温液态镁合金在高速、高压下充型，并在高压下迅速凝固。压铸过程中液态金属的流动分为3个阶段:压室充填阶段、流道系统充填阶段和铸件充型阶段。压铸工艺一般可以比其它铸造工艺成形更薄截面的零件，还可以成形非常复杂的零件。但是压铸的装备成本一般比较高，此外

35、，生产节拍也较慢。 表3.2备选的材料和工艺组合编号123456材料Mil钢高强度钢Mild钢高强度钢铝合金镁合金工艺冲压冲压液压成形液压成形冲压压铸第四章 车身结构分析的有限元理论4.1有限元基本理论4.1.1 基本概念 所谓有限元法(Finite Element Method)就是关于连续体(连续结构)的一种离散化的数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法，它的基本思路是:假想地将连续体(连续结构)划分为有限多个单元。这些单元都由具有一定自由度的节点相互连接而成。这样，原来的连续体(连续结构)就变成为由有限多个单元装配而成的离散结构，原有连续体的无限个自由度的问题就变为离散结构的有限多

36、个自由度的问题闭。 结构有限元法一般选择简单的函数近似地表达单元内位移变化规律，利用力学推导建立单元的平衡方程式，再把所有单元的方程组集合成表示整个结构的力学特性的代数方程组，最后引入边界条件求解代数方程组而得到数值解。 由此可见，有限元法是从力学模型上采用分块近似，这在数学上只须求解一系列线性代数方程组，从而避免了求解力学微分方程这一繁难的环节，宜于用计算机进行求解。有限元法的主要优点是物理概念清晰，容易理解和掌握，适用性强，应用范围广泛，许多复杂的工况和边界条件都可灵活地加以考虑。4.1.2有限元的基本步骤 有限元法有位移法，力法和混合法之分。其中位移法计算简单且适用性广，目前应用比较普遍

37、，有限单元位移法实质上是里茨法的另一种形式，基本方程可以用能量原理导出。具体地说这种方法就是：（1）取结点位移作为基本未知量。（2）设想将离散化模型在每一个结点处拆开。在每个单元的顶点，有结点对它的作用力，称为结点力。然后对每个单元进行分析以便建立基本未知量（结点位移）与结点力的关系。（3）进行整体分析，即在整个离散化以后的模型的每个结点处建立平衡方程。于是，就整个结构而言，可得一组方程式，其个数等于结点位移分量的总数。考虑结点力与结点位移的关系及支承条件，即可把上述方程组变换为仅含基本未知量（结点位移）的方程组。（4）求解第三步得到的线性代数方程组，求出结点位移，进而求出其他力学量。4.2作

38、用在车身、车架上的载荷汽车在不平道路上行驶时所激起的振动，都带有随机性质。因此、汽车的车身和车架承受的是随机载荷，该载荷会导致汽车结构产生疲劳损坏。载荷大小及其特性与路面情况、使用条件和汽车的结构参数等各种因素均有密切关系，故确定车身、车架所承受的载荷是一项相当复杂的工作。根据不同的计算工况确定载荷，是保证有限元分析结果反映工程结构实际情况的前提。由于计算上的需要，载荷可以按不同的方法分类。根据载荷在结构上的分布情况，可以分为以下两种：（1） 集中载荷 当外载荷作用在结构上的区域很小时，可以认为这种载荷是集中载荷，如发动机、油箱、转向系统、轮胎等的重量都是以集中载荷的形式作用在底架上的。（2）

39、 分布载荷 如果作用在结构上的载荷，其位置是连续变化的，即载荷作用在一定面积或长度上，称其为分布载荷。当分布载荷的集度是均匀的，则为均布载荷。结构的自重、由质量引起的惯性力等，通常都作为分布载荷。根据载荷作用随时间变化的情况，可以分为一下两类：（1） 静载荷 当载荷的大小、方向和作用点不随时间变化时，称为静载荷或固定载荷，如结构自重。 （2） 动载荷 当载荷的大小、方向和作用点随时间变化时，称为动载荷，其中如仅仅是载荷的作用点随时间而变化时，又常常称为移动载荷。动载荷作用在结构上时一般都是一个过程，如汽车在正常行驶过程中突然制动，在制动过程中，汽车结构将承受很复杂的动载荷，其大小与变化情况不仅

40、与施加的载荷本身有关，而且与承受载荷的结构刚度有关。4.3有限元分析软件介绍本文采用CATIA软件进行有限元分析。 CATIA V5是IBM和达索公司共同推出的全新一代CAD/CAE/CAM软件，是目前应用范围最广、影响最大的CAD软件。目前，CATIA是汽车、摩托车、以及航空航天领域中的主流CAD软件，如国内的上海大众、一汽一大众、北京吉普、华晨宝马、哈飞汽车等都采用了CATIA系统。CATIA具有为数众多且功能强大的模块，CATIA V5中共有7大类模块:机械设计、曲面造型、产品分析、设备及系统工程、车间设计、数控加工以及产品综合等。CATIA有限元分析主要包括以下功能模块:结构分析，热分

41、析，电磁分析，流体分析和耦合场分析多物理场。其中结构分析功能模块包括以下类型:（1）静力分析(Static)用于静态载荷。可以考虑结构的线性及非线性行为，如:大变形、大应变、应力刚化、塑性、超弹性及蠕变等。（2）模态分析(Modal)一一计算线性结构的自振频率及振型，谱分析(Spectrum)是模态分析的扩展，用于计算由随机振动引起的结构应力和应变(也叫做响应谱或PSD) 。（3）谐响应分析(Harmonic)确定线性结构对随时间按正弦变化的载荷的响应。（4）瞬态动力学分析(Transient)确定结构对随时间任意变化的载荷的响应。可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为。（5）谱分析(Spec

42、trum)将模态分析的结果与一个己知的谱联系起来计算模型的响应(位移和应力)，以确定结构对随机载荷或随时间变化的载荷(如地震、风载等)的动力响应情况。（6）特征屈曲分析(Eigen Buckling)用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状(结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析)。第五章 车身薄壁梁部件轻量化优化选材与设计5.1引言车身支柱和梁等薄壁梁部件是车身结构的基本承载单元，其质量约占白车身总质量的65%。这类部件结构复杂，数量众多，包括A柱、B柱、门槛、纵梁、和横梁等多个部件，如何在满足结构性能要求的前提下，综合权衡质量和成本，为每个薄壁梁部件选择合适的材料，是本章研究的重点。本章首

43、先介绍材料性能指数的概念，然后构建车身薄壁梁部件材料性能指数的精确模型，提出基于材料性能指数的薄壁梁部件轻量化优化选材方法，分析了材料性能指数对材料选择的影响，最后，在计算与验证各部件材料性能指数的基础上，优选了车身薄壁梁部件材料并进行了车身性能分析验证。5.2材料性能指数的概念机械设计过程中需要为产品选择合适的材料，材料参数是材料选择的基础和依据，材料参数包括弹性模量、密度、屈服强度、拉伸强度、热传导率等等。机械零件不仅要求承受和传递工作载荷，通常还需要在满足性能要求下最小化产品的质量。在产品设计过程中，一般会涉及到多个材料参数，例如，对一个梁的刚度设计，需要根据材料的弹性模量和密度，设计和

44、优化梁的几何参数;而对于零件的强度设计，一般需要考虑材料的强度和密度等材料参数。材料的性能指数(material performance index)可以定义为(m)“若干材料参数以一定运算形式组合起来的变量，这个变量决定产品的性能，当最大化(或最小化)这个变量时，产品的(这些)性能最优”。可以通过一个简单实例来说明建立材料性能指数的过程。如图5.1所示，横截面为正方形B * B的简支梁在固定力F作用下弯曲变形，要求为梁选择材料，并设计几何参数，使得梁在满足指定的刚度要求的情况下质量最小，其中梁的长度固定不变，而横截面的面积为设计变量。图5.1梁的弯曲刚度边界条件和几何参数梁的质量m可以表示为

45、 (5.1) 式中，B为横截面的边长;L为梁的长度;A为横截面面积;P为材料密度。根据材料力学，梁的弯曲刚度S可以表示为 (5.2)其中，C1为常数，此处为48; E为弹性模量;I为截面的二次矩。由式可以得到横截面面积A的表达式为 (5.3) (5.4)其中，C1为常数，刚度S与梁的长度L取固定值，则使得梁的质量最小的材料必定是取最小值的材料，即取最大值。此处的即为这个设计问题的材料性能指数。图5.2为材料弹性模量一密度双对数坐标图，并在图中标出常用的工程材料的位置。在图5.2中，函数(Ca为常数)可以表示为一簇斜率为2的直线，每条直线上的材料具有相同的。图中画出一条斜率为2的直线，在直线上方

46、的材料比直线下方的材料具有大的值。从图中可以看到，铝合金的比钢的要大，说明使用铝合金制造图中的梁的质量要比使用钢制造的梁的质量轻。 对于长度和宽度固定，厚度为设计变量的薄板的刚度设计，材料性能指数为。对于长度固定的梁的刚度设计，针对不同的设计要求，建立了3个材料性能指数:当梁的横截面高度不变，宽度作为设计变量时，其材料性能指数为;当截面形状不变，截面面积作为设计变量时，材料性能指数为;当截面宽度固定不变，截面高度作为设计变量时，材料性能指数为。然而，以上传统材料性能指数模型都是基于材料力学原理，针对简单形状和简单边界条件的结构建立的，用于结构形状复杂的车身部件上必然存在较大的误差，此外，对于耐撞性设计的材料性能指数，尚未见文献报道，下文将对这些问题展开研究。图5.2材料弹性模量一密度双对数坐标图5.3车身薄壁梁部件材料性能指数的建立本文假定使用不同材料制造车身