汽车车身设计方法探讨

将才

摘 要：通过应用实例对汽车车身设计新方法进行了探讨，讨论了一种并行汽车车身设计方法。应用此方法，对某中型客车车身进行了改型设计，并利用有限元、优化、可靠性等方法，对设计的可行性进行了分析。
关键词：车身设计；有限元方法；可靠性；优化

前 言

传统的汽车车身设计方法的整个过程是基于手工设计完成的。分为初步设计与技术设计两个阶段。其特点是整个过程是通过实物、模型、图纸、样板等来传递信息，至少进行1:5油泥模型、全尺寸油泥模型和样车制作等阶段; 还要进行1:5油泥模型、1:1全尺寸油泥模型、实车三次风洞试验; 还要进行车身原始数据保留的车身主图板、车身主模型制作。随着计算机技术的发展，高速图形终端和工作站的出现，引进了CAD/CAM等现代设计方法在车身设计中的应用。这种方法（传统的车身CAD方法）的一个主要工作是利用计算机辅助几何设计(CAGD)方法来进行车身几何造型设计，即要在计算机上建立一个车身表面模型以取代传统设计中的三维实体模型。但无论是传统的手工设计方法，还是传统的车身CAD设计方法，都免不了进行车身效果图绘制、车身油泥实物型模型制作等步聚，这就大大增加了设计开发的周期和成本。因此，建立一种汽车车身计算机辅助设计和分析的方法——虚拟样机设计方法意义重大。汽车车身采用虚拟样机的设计方法，是一种革新产品开发过程、缩短周期降低成本、改进产品设计质量、提高产品开发效率的有效途径。采用虚拟样机设计方法，在制造第一台物理样机之前，利用计算机模型可以仿真测试各种不同的设计方案，不必浪费制造物理样机所需的时间与经费，可以获得较优的乃至最优的设计方案；同时可以在计算机上方便地确定、修改设计缺陷，逐步优化设计方案，因此不但减少了昂贵的物理样机数量，而且提高了产品设计质量，大大缩短了产品的开发周期。

1 设计模型的建立

传统的汽车车身设计方法的整个过程是基于手工设计完成的。分为初步设计与技术设计两个阶段。其特点是整个过程是通过实物、模型、图纸、样板等来传递信息，至少进行1:5油泥模型、全尺寸油泥模型和样车制作等阶段; 还要进行1:5油泥模型、1:1全尺寸油泥模型、实车三次风洞试验; 还要进行车身原始数据保留的车身主图板、车身主模型制作。随着计算机技术的发展，高速图形终端和工作站的出现，引进了CAD/CAM等现代设计方法在车身设计中的应用。这种方法（传统的车身CAD方法）的一个主要工作是利用计算机辅助几何设计(CAGD)方法来进行车身几何造型设计，即要在计算机上建立一个车身表面模型以取代传统设计中的三维实体模型。但无论是传统的手工设计方法，还是传统的车身CAD设计方法，都免不了进行车身效果图绘制、车身油泥实物型模型制作等步聚，这就大大增加了设计开发的周期和成本。

由于传统车身设计方法的缺陷，我们利用CAD软件提供的强大的复合建模功能，探索了一种车身设计新方法，为缩短开发周期，降低开发成本作了一些努力，也为我们进行车身CAD新方法、新手段的探索，提供基础性的借鉴。首先在汽车产品规划提出的产品参数基础上，进行简单的车身总布置设计，确定汽车总长、总宽、总高、离地间隙、接近角、离去角、轮距、车门形状、位置等基本设计数据，建立车身三视图。在此基础上，利用CAD软件的建模功能展开设计、建模。具体的方法是：汽车新产品设计规划→车身总布局设计（三视图）→曲线建模设计（三视图）→车身各视图按轮廓线拉伸实体→作取交集的布尔运算→提取拟合车身曲面所需线条→线条转换和修改样条线→车身结构骨架设计。

利用以上方法，我们对某中型客车车身项目进行了开发设计，完成该车型设计方面的工作，

也节省了制作油泥模型等步骤的大量时间，降低了开发成本。该方法收到了良好的效果。

模型如图1所示。

2 设计可行性有限元分析

用有限元方法进行车身计算。首先要把工程上的车身转换成能为计算机输入所接受的计算上模型。即把车身实物（或图纸）抽象为一组由力学元件构成的模型，同时要给出载荷及支持状态的数学描述——这就是模型化工作。在结构简化过程中，坚持的总原则是：在尽可能如实地反映客车车身结构主要力学特性的前提下，力求用较少的单元和简单的单元形式。

对于半承载式客车车身，它保留了底盘车架，将车身结构构件刚性地与车架连接，使车身也参与整车承载，从而可以适当的减轻车架的质量和减少断面的尺寸，以达到合理利用材料的目的。这种车身与车架的连接一般是通过将车身骨架的立柱焊接在由车架纵梁两侧悬伸的牛腿上来实现的。所以分析时必须考虑客车的底架。由于整车车身结构复杂，必须对车身模型进行简化。客车的骨架结构由抗扭刚性很高的钢管构件焊接形成的空间框架。由前、后围骨架、底架、左右侧围骨架和顶盖骨架六部分组成。

根据客车的具体结构情况进行了以下的简化措施：

①不计一些次要的杆件

不计非基础构件（或非承载件），它们的截面积很小，承受的载荷比较小，对结构的变形和内力影响很小，且与整车骨架的连接关系较弱，所以在计算中略去了这些次要的杆件。

②简化曲杆为直杆

在车身结构设计中，为了外型的美观和改善空气动力性能，在车身四周都设计成圆弧过渡，如前围与侧围，顶棚与侧围的联结部分，这些圆弧形构件的曲率不大，顶盖横梁、前风窗下梁等曲杆可划分成若干直杆，对整个结构的计算影响很小。

③将一些临近的节点可以进行合并处理

在车身制造中，为了结构布置的需要或工艺方面的要求，几个构件的联结点往往错开一些距离，这些联结点之间的连接刚度较大，且在实际计算中短梁可能会导致方程病态，使计算结果误差较大。因此，在结构简化中将距离很近的一些节点进行合并。

④截面形状的简化

在车身骨架结构中，除使用各种型钢外，还有许多板材翻边焊接而成的构件。另外，对于一些象底架横梁及牛腿等变截面的构件，都简化成最小截面，最后结果比实际值大，作最保守的计算。

为了论证设计的可行性，我们对设计的可行性进行了有限元分析。主要作了匀速高速行驶、高速急刹车、高速急转弯且左前轮悬空等三种工况的有限元分析。有限元模型如图2所示。

分析结果为：匀速高速行驶时，最大拉应力σ1=47.20 MPa，产生在乘客门右立柱上端，最大压应力σa=43.12MPa 产生在乘客门右立柱下端；高速急刹车时，最大拉应力σ1=98.275MPa，产生在乘客门右立柱上端，最大压应力σa=95.8875MPa 产生在乘客门右立柱下端；高速急转弯且左前轮悬空时，最大拉应力σ1=146.73MPa，产生在右侧围中部，最大压应力σa=135.75MPa 产生在右侧围中部。

通过以上三种工况的分析，可以比较明显的看出在一轮悬空高速急转弯的情况下，其最大应力远大于完全支承的情况，是比较危险的工况。

对于碳素结构钢Q235-A，当钢材厚度小于或等于16mm时，他的屈服点σs为235MPa。所要计算的应力不大于材料的许用应力〔σ〕。许用应力计算如下：

〔σ〕=σs／n

式中：σs——材料的屈服极限，取σs =235MPa；n-安全系数，一般取安全系数为1.4；

可得：〔σ〕=167.9MPa

以上结果都满足σ＜〔σ〕，符合强度条件。

3 设计可靠性分析

为了保证设计的可靠性，我们把可靠性考虑进来。目前可靠性在各国都受到了足够的重视。

日本断言今后世界产品的市场竞争点是可靠性，美国把可靠性列为企业的主要奋斗目标。经典有限元是一种在力学模型基础上进行近似计算的方法。近似计算就是结构的离散化模型，通过单元的划分，单元分析，整体分析，从而求出各节点的位移和应力。这种方法能处理确定量，不能处理概率量。随机有限元是80年代初发展起来的处理随机现象的分析工具，它指的是引进相应的确定性分析方法，显式处理任意不定参数，并求其对所求物理量的响应。此法的特点在于将随机参数空间离散化，并将随机输入变为一个方差矩阵依赖于有限元网格划分的随机变量。具体的随机有限元理论和可靠性理论参阅其它有关文献。

在考虑对整车结构影响不大的基础上，我们对车身作了部分简化处理。蒙皮对整车刚度和强度都有一定的影响，但基本上不承受剪切力，忽略不计。车身实际变形中包括了前后悬架的弹性变形引起的整车结构的刚体位移。在我们计算中，剔除了这一变形。就是把悬架处理成大刚性杆，放松在铰接点处的自由度。后悬架钢板弹簧处采用铰支，前悬架对不同工况采用不同的支撑方式处理。由于本身的侧倾角很小，这样作对内力的影响不大。其它简化方法同上述的有限元分析，建立模型与上述有限元计算模型一致。经计算，车身结构的最小可靠度为0.986453。

4 优化设计

为了设计的更好、更优，我们对车身进行优化设计。具体的优化理论参阅其它有关文献。在这里，只考虑在扭转工况下进行截面尺寸的优化问题，选用截面空间的尺寸为优化设计变量，因而对车身作了部分简化处理。骨架结构基本为矩形钢焊接而成，尤其是腰梁、窗立柱、上大边、门柱这些主要受力构件，这对简化计算机模型，暂时忽略螺栓、铆接等这类局部应力复杂区域的影响较为理想。蒙皮对整车刚度和强度都有一定的影响，但基本上不承受剪切力，可以忽略不计。车身实际变形中包括了前后悬架的弹性变形引起的整车结构的刚体位移。在计算中，剔除了这一变形。就是把悬架处理成大刚性杆，放松在铰接点处的自由度。后悬架钢板弹簧处采用铰支，前悬架对不同工况采用不同的支撑方式处理。由于本身的侧倾角很小，这样作对内力的影响不大。在靠的很近的接头处，采用节点合并。同时，在刚架系统中，用等截面替换变截面，用直杆代替曲杆，用刚接头代替螺栓、铆接结构。最后得到的车身计算模型同上。经过优化计算后，车身质量为1870kg。质量减轻10.9%，效果较好。

5 总 结

本文探索一条汽车车身设计和分析方法，并行虚拟样机方法，加快了开发周期，节约了高额开发费用，降低了研发成本。在具体的研究中，利用CAD软件的强大功能，特别是复合建模功能，成功地运用各种技巧对客车车身骨架结构进行了设计；利用数据接口进行软件间的数据交换，保证了设计和分析计算机模型的一致性，减少了误差的积累,并使设计和分析做到了并行进行。

在进行可靠性分析时，采用了可靠性作为约束条件，先进行数据预处理，使之符合截尾寿命数据的要求，进而采用先行回归拟合法把预处理的数据进行统计。由于车身各部分分布形式不一，采用当量正态化方法进行归一化处理，并在此基础上转化为标准正态分布形式，推导出可靠度求解方程，并进行了线性化。

在优化方面，选取截面空间尺寸为设计变量，并进行了设计变量的缩并，从而简化了求解过程。结合可靠性和优化设计两大理论，进行优化设计研究，并提出了同时解决这两大问题的优化方案，建立了优化数学模型，并给出了求优方法。把可靠性和优化设计两大理论结合起来应用到车身设计中去，此时可靠性作为优化数学模型的一个约束条件加入进去。

整个车身设计思路见图3。


图3 汽车车身设计新思路参考文献
〔1〕王勖成,邵敏主编.有限单元法基本原理和数值方法〔M〕.北京：清华大学出版社，1997,3.〔2〕〔日〕武藤真理，程正译.汽车空气动力学〔M〕.吉林：吉林科学技术出版社，1989,10.〔3〕郭竹亭主编.汽车车身设计〔M〕.（上、下）.吉林：吉林科学技术出版社，1992,10.〔4〕C.T.Fiross. Finite Element Methods in Structural Mechanics〔J〕. America.Ellis Horwood Limited. 1985
〔5〕李少波. 汽车车身计算机辅助设计与分析〔A〕.〔硕士论文〕.贵阳：贵州工业大学,1999
〔6〕楚甲良. 汽车车身可靠性优化设计及其应用研究〔A〕.〔硕士论文〕.贵阳：贵州工业大学,1999
〔7〕江爱川编著. 结构优化设计〔M〕. 北京：清华大学出版社.1986,12.
〔8〕吴世伟编著. 结构可靠度分析〔M〕. 北京：人民交通出版社,1990,8.

bobo0804

不错 感觉就像找到了精神食品一样哈

solar

简单，简单，在简单

ngl598

不错.用catia做模型,再用有限元分析,更有实际效果

k5203344

能不能说说，哪些软件汽车领域应用比较广

dcldream

好东西，谢谢楼主分享

wujunjun1984

看了之后，还是不怎么明白，因为我现在只用CAD设计的！！！

kittylm

很专业呀 挺深奥，需要细细看，不过不好懂

aec024

我现在用SOLIDWORKS设计车身，做毕业设计中，资料还是有点参考价值的，虽然我的是跑车，呵呵

wuyy

标题应该改成“客车”车身设计方法探讨~~~~

QINweilun

谢谢楼主了。

我爱逛街

看得出有限元分析的作用之大。