第7章 车身结构有限元分析及优化设计【汽车车身结构与设计】
基于有限元模型的汽车车身强度分析与优化设计
基于有限元模型的汽车车身强度分析与优化设计引言：汽车车身设计是整车设计中至关重要的一环。
汽车车身不仅是汽车的“外衣”，还承担着对乘员安全和行驶稳定性的极其重要的作用。
车身的强度是确保车辆在各种复杂工况下保持结构稳定、寿命可靠的关键因素。
基于有限元模型的汽车车身强度分析与优化设计具有重要的意义。
1. 有限元分析在汽车车身设计中的应用有限元分析是一种基于力学原理和数值计算方法的数值模拟技术。
它可以将复杂的连续体结构离散为有限个单元，通过求解单元之间的相互作用力，得到结构的应力、应变等力学参数。
在汽车车身设计中，有限元分析可以有效地评估车身的强度、刚度、振动特性等。
2. 汽车车身强度分析的主要内容汽车车身强度分析主要分为静态强度分析和动态强度分析两个方面。
2.1 静态强度分析静态强度分析是对车身在静态加载条件下进行强度评估。
通过有限元分析，可以得到车身各部分的应力分布情况和最大应力值，进而判断车身是否足够强度。
在静态强度分析中，需要考虑的因素包括车身的受载状态、材料的力学性质、载荷的大小和方向等。
2.2 动态强度分析动态强度分析是对车身在动态加载条件下进行强度评估。
在实际使用中，汽车车身会受到各种道路激励和振动的影响，因此需要对车身进行动态强度分析。
通过有限元分析，可以得到车身在不同工况下的应力变化规律和疲劳寿命，进而优化车身结构设计，提升车身的抗疲劳能力。
3. 汽车车身设计的优化方法基于有限元模型的汽车车身优化设计可以通过调整车身结构和材料等手段来提升车身的强度和刚度。
3.1 结构优化在车身结构优化中，可以通过增加加强筋、设置补强板和优化焊缝位置等方式来提升车身的强度。
通过有限元分析，可以评估不同优化方案的效果，并选择最佳方案进行实施。
3.2 材料优化材料的选择对车身的强度和轻量化设计起着重要作用。
目前，高强度钢材和铝合金等轻量化材料正在被广泛应用于汽车车身设计中。
基于有限元分析，可以评估不同材料对车身强度的影响，并选择合适的材料进行使用。
车身结构动力学分析及优化设计
车身结构动力学分析及优化设计随着汽车工业的发展，轿车的外形设计变得愈加复杂，同时车辆的性能需求也得到了巨大的提升。
车身的结构设计和优化成为了车辆设计中的重要组成部分。
本文将从车身结构动力学分析入手，探讨车身结构的优化设计方法。
一、车身结构动力学分析1. 车身结构的刚度分析车身结构的刚度是指车身在受到外力作用时，不会发生过度变形的能力。
在整车静态状态下，刚度可以通过FEA仿真来精确求解。
2. 车身结构的模态分析车身结构的模态分析能够评估车身在振动状态下的响应特性，它是车身结构动力学分析的基础。
模态分析结果可以为优化设计提供参考。
3. 车身结构的应力分析车身在行驶过程中，存在各种力的作用，如加速度、制动力、悬挂力等。
这些力会在车身结构内部转移，产生内部应力。
应力分析能够预测车身结构在特定工况下的应力状态，为车身结构的优化设计提供基础数据。
二、车身结构的优化设计1. 材料的选择材料的选择对车身的性能和质量起着重要的作用。
用高强度或者轻质材料可以大大减轻车身的重量，提高车辆的加速性能和燃油经济性。
2. 结构的设计优化车身结构的设计优化包括减少空气阻力、重心下降、车身刚度提升等。
较少空气阻力可以在车辆行驶时减少风阻，提高车辆的性能和燃油经济性；重心下降可以提高车辆的稳定性和操控性；车身刚度的提升可以提高车辆的安全性。
3. 结构加固结构加固是车身结构优化设计中的重要部分，可采用刚性补强、寿命加强等方法加固车身，使车身在强度和刚度上都得到了提高，从而能够承受更大的冲击力。
三、结论车身结构动力学分析和优化设计是车辆设计中的重要组成部分，它可以提高车辆的性能、安全性和质量。
在设计和制造车身结构时，需要利用现代的技术手段，如FEA仿真、设计优化软件等进行辅助，精准地分析和预测车身结构的行为，进而优化设计方案，实现优化设计。
汽车车身结构优化设计
汽车车身结构优化设计随着汽车行业的持续发展，汽车设计和制造技术的日益成熟，如何实现汽车车身结构的优化设计成为一个重要的研究方向。
汽车车身结构对车辆的性能、安全和舒适度有着决定性的影响。
本文将从汽车车身结构设计的需求和方法，汽车车身结构材料选择和应用，以及汽车车身结构优化设计的案例研究进行分析和论述。
一、汽车车身结构设计的需求和方法在汽车设计中，汽车车身结构是一个重要的方面，它决定了汽车的稳定性、轻量化和节能性能。
汽车车身结构设计需求主要包括以下几个方面：1. 结构稳定性：汽车车身结构设计应考虑各种行驶情况下的稳定性和安全性。
2. 轻量化：轻量化是一个常见的汽车车身结构设计目标。
轻量化能有效地降低车辆的燃油消耗和环境污染，提高汽车的能源利用率。
3. 舒适性：汽车车身结构应该考虑到驾驶员和乘客的舒适度，并能减少噪音和震动。
在汽车车身结构设计中，一些方法和工具可以用于优化设计，例如CAE、拓扑优化等。
CAE（计算机辅助工程）技术能够通过数字仿真，快速计算车身结构下的各种工况下的应力分布，以便进行优化设计。
拓扑优化则是一种基于数学模型和算法的方法，它可以自动生成最优的车身结构模型，以便实现轻量化和优化性能的目标。
二、汽车车身结构材料选择和应用汽车车身结构材料是决定其性能和质量的关键因素之一。
环保节能是当前材料选择要考虑的主要因素。
1. 钢材和铝材：钢材和铝材是目前汽车车身结构中使用最广泛的材料。
高强度钢材和铝材能够有效地压缩车身的重量，并保证强度。
2. 轻质材料：在轻量化方面，汽车车身结构中不锈钢、镁合金等轻质材料也被用于汽车车身结构中。
由于这些材料有着很好的强度和耐腐蚀性能，底盘和车身的质量能够得到减轻。
3. 复合材料：由于汽车车身结构要求同时满足强度和轻量化的目的，因此复合材料正在成为汽车车身结构中的新兴材料。
这些材料由于其良好的强度和轻重量，能够实现汽车车身的更好的强度和轻量化。
三、汽车车身结构优化设计的案例研究在实际汽车车身结构设计中，优化设计的应用已经产生了很好的效果，在汽车轻量化和节能方面都取得了一定的成果。
汽车车身结构与设计_金陵科技学院中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
汽车车身结构与设计_金陵科技学院中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.汽车行驶时受到的横风将会对汽车产生一个（）力矩。
答案:侧倾2.以下哪一项不属于车身覆盖件的特点（）。
答案:形状简单3.为了提高轿车车身的扭转刚度，车身结构件的截面形状通常设计为（）。
答案:闭口异形4.汽车行驶时，在汽车表面存在着一个相对薄的空气层，该层内气流速度有急剧变化，存在着速度梯度，该气流层称为（）。
答案:附面层5.承载式车身与非承载式车身相比，其特点的是（）。
答案:安全性更高6.若车身承受的静载荷过大，在危险断面处，则会产生超过屈服极限或强度极限的应力，导致车身结构变形过大或断裂，属于以下哪种失效形式（）答案:静强度失效7.下列选项属于汽车被动安全性内容的有（）。
答案:安全气囊抗撞性8.轿车常用的车门结构形式有( ）（）和（）。
答案:全尺寸内外板结构滚压窗框结构半开放式结构9.承载式车身在受到侧面碰撞主要吸能的部件有（）（）和（）。
答案:中立柱车顶纵梁门槛梁10.鱼形车尾部的“鸭尾”，所起的作用是干扰空气阻力。
答案:错误11.前置前驱汽车的前纵梁比前置后驱汽车的相应构件强度要大。
答案:正确12.同样大小的汽车，承载式车身比非承载式车身的内部空间要大。
答案:正确13.车架具有足够的强度和刚度，发生碰撞时能保持汽车其他部件的正常位置。
答案:正确14.非承载式车身通常用螺栓固定在车架上。
答案:正确15.承载式车身前部板件承受的载荷更大，要求前部车身的强度要好些。
答案:正确16.为了提高轿车车门刚度，通常在车门外板上焊接抗侧撞梁。
答案:错误17.H点装置有两种：H点测量装置和H点设计工具。
答案:正确18.转向盘前后位置和座椅高度是影响眼椭圆中心位置的主要因素。
答案:正确19.白车身主要包括车身结构焊接总成、车门闭合件焊接总成和车身附属设备。
答案:正确20.车身闭合件包括车门、发动机罩和挡风玻璃。
答案:错误21.汽车轻量化就是在保证汽车强度和安全性能的前提下，采用现代设计手法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料以尽可能降低汽车自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。
车身结构优化设计与性能分析
车身结构优化设计与性能分析一、前言汽车行业经历了长达一个世纪的发展，车身结构也随之不断进化。
从最初的单纯金属制造到现在的多材料结构，每一次的演变都让汽车更加安全与高效。
本文将从车身结构的优化设计入手，探讨如何提高汽车性能。
二、车身结构的优化设计1. 材料选择在过去，车身结构主要是由钢铁等金属材料构成，但现在随着新材料技术的不断发展，更多的新材料被应用于车身结构上。
比如碳纤维，它的强度和刚度比钢铁还高，同时它的重量却要轻很多，可以大大减轻汽车的整体重量，提高汽车的燃油效率和节能性能。
2. 结构设计车身结构设计需要考虑车辆的性能和安全性。
为了达到这些目标，工程师们通常会采用一些设计手段来确保车辆在各种条件下的安全性和性能。
例如，在汽车碰撞时，工程师必须确认车身结构能承受撞击力，并且车内乘客得到足够的保护。
设计车身结构时，还要考虑到气动以及流体力学特性，以确保汽车在高速行驶的过程中能够保持稳定的行驶。
3. 仿真计算与传统的试错方法相比，仿真计算可以更加快速而精确地对车身结构进行评估，减少时间和成本。
使用高效的计算机仿真软件，工程师们可以对施力、载荷、应力、扭矩和应变等因素进行详细的分析和优化。
在此基础上，设计出更加优异的车身结构，缩短研发周期，提高产品质量。
三、车身结构性能分析1. 刚度车身结构的刚度对于汽车牵引、平稳行驶、路面过滤等方面的表现有极大的影响。
由于车身结构的强度和刚度取决于材料和构造，在材料性能相同时，通过合理结构设计和优秀的组装工艺可以极大提高车身的刚度。
2. 强度车身结构的强度代表着汽车在受到外力冲撞时对撞击力的抵抗能力。
因此，提高车身的强度可以保证汽车在各种行业标准测试下的安全性能。
3. 抗拉能力抗拉能力是车身结构性能的一个重要指标，它代表了车身在受到拉力时的能力。
因此，车身结构的材料和结构设计需要具备足够的抗拉能力，以确保车辆在行驶过程中不易损坏。
4. 范德瓦尔斯力分析驾驶车辆时，车身的稳定性对乘客的感觉和安全性都是非常重要的。
第7章 车身结构有限元分析及优化设计【汽车车身结构与设计】
在车身有限元分析中需注意以下几个问题 ：
1）复杂曲面网格的划分 2）边界条件的设 有限元法在车身结构分析中的应用
汽车结构有限元分析的应用主要涉及以下内容 ： （1）可靠性:在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、
强度、稳定性以及疲劳寿命进行分析； （2）安全性：研究结构耐撞性与乘员安全性等； （3）经济性：研究结构优化及轻量化等； （4）舒适性：进行结构噪声振动分析等。
ANSYS软件实现优化方式： • 批处理方式——APDL语言 • GUI交互方式——一般用户
以GUI优化方式为例，进入优化设计器OPT，执行优化分析过程： 首 先 指定分析文件 ； 声明优化变量，包括设计变量、状态变量和 目标函数 ； 选择优化工具或优化方法 ； 进行优化分析 ； 查看优化设 计序列结果；最后检验设计优化序列。
杆（Bar） 壳单元（Shell）
承受拉伸载荷的细长结构，如某些限位约束可简化为刚性杆，车骨架在拓扑优化 设计等
汽车车身结构与设计
第一章车身概论随着国民经济的发展，汽车已成为极为重要的交通运输工具和现代社会的象征，汽车工业在带动其它各行业的发展中，已日益显示出其作为支柱产业的作用。
车身，作为汽车上的三大总成之一，已越来越引起人们的注意，并越来越处于主导地位。
（发动机、底盘、车身）据统计：客车、轿车、专用车——车身质量占整车整备质量的40～60%；货车——车身质量占整车整备质量的16～30%；各类车身的制造成本，则高于上述比例。
车身的定义：运送人、货物或各种生产、生活资料的具有特定形状的结构。
车身的特点：10、是使生产工艺、壳体力学、人体工程学、工业设计、材料学、运输学、心理学、经济学、销售学等众多各不相同的学科紧密地联系在一起的工业产品，是技术与艺术相结合的产物；20、车身的发展取决于科学技术水平和物质技术条件；舒适性30、与人们的生活、生产密切相关货物完整性保护乘员安全40、汽车的更新换代，关键在车身；50、车身是汽车工业中一个最年轻而又发展迅速的分支；60、整车生产能力的发展取决于车身的生产能力，汽车的更新换代在很大程度上决定于车身；70、对销售和用户心理有着极其重要的影响；80、技术密集型和劳动密集型相结合的产品：技术密集型——大量采用最尖端技术，机械化、自动化程度很高——自动加工、装配线、机械手、机器人等；劳动密集型——相当一部分仍需手工完成——车身钣金件的手工打磨、补焊、涂胶、内饰及附件装配等。
可以说，汽车工业发展到现在（支柱产业），其重中之重为车身。
车身代表了一个国家的汽车工业水平，要求高、投资大、技术难度大。
车身技术的开发历来为发达国家所重视。
我国车身技术的发展可以说是近二十年的事，水平十分落后，尚不完全具备设计开发能力，任务十分艰巨。
但近年来，通过技术引进，合资合作，特别是几大轿车基地的建设，已使我国的车身技术有了很大的发展。
§1-1 车身的演变轿子→轿式马车→汽车车身。
早在5000年前的古代，世界上就有轿子出现，成为奴隶主或有一定地位的人的乘坐工具；3000年前，随着动物的训化，牛车、马车开始出现。
汽车车身设计-第七章车身疲劳强度分析基础综述
第二节 疲劳设计方法 • 一、疲劳强度、疲劳极 • 限与疲劳寿命的概念 二、疲劳设计方法简介 三、确定疲劳寿命的方 法 四、疲劳分析软件 •
主要有两类：试验法和试验分析法 试验法
– 完全依赖于试验，是传统的方法 – 直接通过与实际情况相同或相似的试验来获取所需的疲劳数据 – 可靠，但必须在样机试制之后才能进行。费用高、周期长，且 无法和设计并行，试验结果不具有通用性
疲劳破坏
– 在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象 – 材料或结构受到多次重复变化的载荷后，应力值虽没超过材料的 强度极限，甚至比弹性极限还低得多的情况下就可能发生破坏
3.
疲劳
在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形 成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展 过程
① 静强度：与材料的性质有关，对脆性材料影响较大， 对塑性较好的材料则影响较小
② 疲劳强度：不论是对塑性材料还是对脆性材料，都是 不可忽视的影响因素
第一节 疲劳破坏的特征 及影响疲劳寿命的因素 一、疲劳破坏的特征 二、影响疲劳寿命的 因素
2. 尺寸的影响
• 零件尺寸对疲劳强度有较大的影响，这同应力梯度和 材料不均匀性有关 • 注意：一般零件的疲劳强度随其尺寸的增大而降低 ① 尺寸不同，相同载荷作用下，零件的应力梯度不同。 大尺寸零件的高应力区域大，产生疲劳裂纹的概率大
试验分析法
– 依据材料的疲劳性能，对照结构所受到的载荷历程，按分析模 型来确定结构的疲劳寿命 – 包含三部分：材料疲劳行为的描述，循环载荷下结构的响应， 疲劳累积损伤法则 – 按计算疲劳损伤参量不同分为：名义应力法、局部应力应变法 、应力应变场强度法、能量法、损伤力学法、功率谱密度法等
第二节 疲劳设计方法 • 一、疲劳强度、疲劳极 限与疲劳寿命的概念 • 二、疲劳设计方法简介 三、确定疲劳寿命的方 法 四、疲劳分析软件 •
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2. 分析计算模块 (SOLUTION)
3.后处理模块 (POSTProcessor)
通用后处 理
时间历程 后处理
求解器
三维CAD
3
传递计算结果
建立三维几 何模型
递交计算文件
2
输 出 Parametric Solid 格
1
式文件
前、后处理
可视化计算
结果输出
4
7.2 车身有限元模型的建立
7.2.1 车身建模的简化原则
建立车身CAD模型
加工工艺设计 工程图绘制
车身开发CAE思路
7.1 有限元方法概述
车身结构设计系统集成框图
7.1.1 有限元方法的基本原理
有限元法是求解边值或初值问题，建立在待定场函数离散化基础上的一 种数值方法，有限元的基本思想是将连续体划分为有限数目的假想单元（有 限元），它们仅在结点处彼此相连接，用这些单元的集合模拟或逼近原来的 物体，化无限自由度问题为有限自由度，然后利用各单元内光滑但在整个连 续体内连续而且分段光滑的近似函数来分片逼近整个连续域上的未知场函数， 如应力场、位移场。有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题 后再求解。
7.3 有限元法在车身结构分析中的应用
读入文件 CAD.HM
生成2D网络
建立载荷工况
设置求解器模板
生成3D网络
设置计算参数
几何清理 Geometry cleanup
清理模型
输出有限元计算文件
建立、输入材料参数
建立载荷参数
求解器
生成Component
添加载荷
利用HyperMech进行后处理
有限元分析流程简图
杆（Bar） 壳单元（Shell）
承受拉伸载荷的细长结构，如某些限位约束可简化为刚性杆，车骨架在拓扑优化 设计等
车身冲压件
体单元（Solid） 螺栓、发动机等
7.2 车身有限元模型的建立
4)单元数量的控制 5)连接方式的模拟 6)翻边的处理 7)载荷和约束的模拟
总之，有限元计算模型必须具有足够的准确性，要能反映车身的 实际结构。既要考虑实际结构与所建模型的一致性，又要考虑支撑 情况和边界约束条件的一致性，还要考虑载荷和实际情况的一致性。 同时，计算模型要具有良好的经济性。
2）为了进行分区域处理，将建立组件，以方便单元截面的指定和 后面的加载
4. 最终有限元模型
车身骨架有限元模型 信息：
691个点； 1153条线； 3963个节点； 3616个beam单元； 连接处采用节点耦合。
【案例1】白车身的有限元建模
白车身选用壳单元，以四边形单元为主，且尽量采用矩形单元，网格尽量 均匀，在过渡区可以使用三角形单元。
1)结构简化 2)结点的简化 ３)单元类型的选取
单元类型
车身建模常用的有限单元类型
在车身上的应用举例
质量单元（Mass） 被省略部分的重量（如发动机、行李、乘员等）
梁（Beam） 弹簧（Spring）
承受弯曲载荷的细长结构、如底板下横梁、车架梁等、点焊、复合材料板的加强 筋
模拟悬架或发动机支撑的刚度特性
7.1.3 有限元软件简介 1. 有限元理论简述 有限元法的基本思想是将一个实际的结构(弹性连续体)划分为有 限大小的，有限个数的单元组合体进行研究。 2.ANSYS简介 我国引进的几个主要有限元软件 :SAP程序系统 、 ADINDA/ADINT 、NASTRAN 、ANSYS程序系统 、ASKAT程 序系统 、GTSRUDL程序系统 等。
学习目标
1.了解有限元方法的基本理论； 2.了解车身结构有限元建模方法及简化方法； 3.掌握车身结构有限元分析方法； 4.学会车身结构优化设计的基本过程和方法。
学习要求
知识要点
能力要求
相关知识
有限元基本理 1.掌握有限元分析方法基本原理
论
2.掌握有限元方法的分析过程
有限元软件应用
车身有限元建 模方法及简化
7.1.2 有限元方法求解基本步骤
有限元方法基本步骤 1）建模 2）前处理 3）计算 4）结果分析 有限元方法求解基本步骤 1）问题及求解域定义 2）将连续体模型转化为离散模型即求解域离散化 3）选择位移函数 4）推导单元刚度矩阵和方程 5）组装单元方程，得到总体方程，引入边界条件，并求解 6）联立方程组求解得到结点位移
7.2 车身有限元模型的建立
7.2.2 车身有限元分析难点及解决方法 为保证较高的计算精度，建立的车身有限元模型要能如实反映车
身实际结构的重要力学特性。有限元分析计算结果的可信度高低， 直接受分析模型、载荷处理、约束条件等和实际工程结构力学特性 符合程度的影响，若有失误则会造成很大误差，严重时将使计算、 分析失败。
在车身有限元分析中需注意以下几个问题 ：
1）复杂曲面网格的划分 2）边界条件的设定 3）试验与分析结果的误差分析
7.3 有限元法在车身结构分析中的应用
汽车结构有限元分析的应用主要涉及以下内容 ： （1）可靠性:在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、
强度、稳定性以及疲劳寿命进行分析； （2）安全性：研究结构耐撞性与乘员安全性等； （3）经济性：研究结构优化及轻量化等； （4）舒适性：进行结构噪声振动分析等。
【案例分析】 1.建立车身骨架几何模型
2.几何模型的导入
通过“另存为…”保存为中间格式，即igs文件。用ANSYS命令GUI: File>Read Input From...读入该文件即可完成模型导入。
3.单元网格划分
1）ANSYS提供了3种网格划分的方法，它们分别是:自由网格划分、 对应网格划分、对应网格及自由网格混合划分。
1.掌握车身有限元的建模方法 2.掌握车身有限元建模的简化原 则
网格划分、载荷处理、 结构简化
车身结构优化 设计
掌握结构优化的设计原则
目标函数，参数优化
7.1 有限元方法概述
汽车车身CAE的发展状况及有限元方法在车身设计中的应用
汽车新产品设计规划
车身总布局设计 （三视图）
建立车身三视图）
有限元软件设计流程框图
变量化草图
拉伸 旋转
扫描特征 元素特征
加形状特征 执行布尔操作
非变量化曲线 修改、裁剪
自由形状特征（曲面）
变换
修改元素参数
修改特征参数
实体模型
曲面模型 线框模型 修改实体模型
7.1.4 有限元软件分析基本过程
1.前处理模块
几何建模 单元类型选择 网格划分 材料类型选择 载荷处理：集中载荷、分布载荷