阅读说明：本技术 一种车身结构刚度设计方法 (Method for designing rigidity of vehicle body structure ) 是由 朱灯宏 黄红端 杜展鹏 韦超忠 于 2018-06-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种车身结构刚度设计方法。所述方法包括：从车身整体区域中划分出关键结构子区域；计算车身加载工况下的车身整体的质量和应变能以及关键结构子区域的质量和应变能；计算关键结构子区域的应变能密度及承载系数,根据关键结构子区域的承载系数的大小,确定车身结构刚度的薄弱区域；通过调整关键结构子区域的质量即进行增重和减重处理,使关键结构子区域的应变能密度趋于均匀。本发明根据关键结构子区域的承载系数的大小,可以快速确定车身结构刚度的薄弱区域,通过进行增重和减重处理,能够使车身的应变能密度趋于均匀,从而使车身结构刚度趋于均匀；通过进行以减重或减厚为主的处理,有利于轻量化设计。(The invention discloses a method for designing the rigidity of a vehicle body structure. The method comprises the following steps: dividing a key structure subregion from the whole body region; calculating the mass and the strain energy of the whole vehicle body and the mass and the strain energy of the key structure subarea under the vehicle body loading working condition; calculating the strain energy density and the bearing coefficient of the key structure subregion, and determining a weak region of the vehicle body structure rigidity according to the size of the bearing coefficient of the key structure subregion; the strain energy density of the key structure subarea tends to be uniform by adjusting the mass of the key structure subarea, namely performing weight increasing and weight reducing treatment. According to the method, the weak area of the rigidity of the vehicle body structure can be quickly determined according to the size of the bearing coefficient of the key structure subregion, and the strain energy density of the vehicle body can tend to be uniform by weight increasing and weight reducing treatment, so that the rigidity of the vehicle body structure tends to be uniform; the weight reduction or thickness reduction is mainly performed, which contributes to the weight reduction design.)

一种车身结构刚度设计方法

技术领域

本发明属于车身结构设计领域，具体涉及一种车身结构刚度设计方法。

背景技术

目前，针对车身刚度特性的研究中，很难量化车身不同关键结构区域的承载大小，以及不同关键结构区域对于车身的刚度贡献，并且缺少针对车身不同关键结构区域的刚度设计的合理依据。针对车身刚度设计的评估方法一般采用以下两种：

厚度灵敏技术：以单位板材厚度下的车身刚度值作为研究指标，探究其对车身结构的刚度性能的影响。该方法存在的问题是不能针对车身关键区域的刚度设计提供指导性的思想。

区域灵敏技术：选定区域设置一个零部件共用的区域变量，通过该区域变量的变化控制实现区域内各个零件的厚度变化，探究其对车身刚度性能的影响。该方法存在的问题是不能直观反映车身不同区域的承载情况。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于应变能密度均匀的车身结构刚度设计方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种车身结构刚度设计方法，包括以下步骤：

步骤1，从车身整体区域中划分出关键结构子区域，每个关键结构子区域包含一个关键承载构件和使所述子区域完整的其它构件，关键承载构件是刚度占车身整体刚度的比例超过设定阈值的构件；

步骤2，计算车身加载工况下的质量和应变能以及关键结构子区域的质量和应变能；

步骤3，计算关键结构子区域的应变能密度、车身整体的应变能密度及关键结构子区域的承载系数，关键结构子区域的承载系数等于关键结构子区域的应变能密度与车身整体的应变能密度的比值；

步骤4，根据关键结构子区域的承载系数的大小，确定车身结构刚度薄弱区域，通过调整关键结构子区域的质量即进行增重和减重处理，使关键结构子区域的应变能密度趋于均匀。

进一步地，所述关键承载构件主要包括车身的接头、前后纵梁以及地板横梁。

进一步地，所述车身加载工况包括整车扭转工况和整车弯曲工况。整车扭转工况是指在车身后部下车体后轮悬挂安装点处施加固定铰链约束，在车身前部前轮处施加方向相反的载荷；整车弯曲工况是指在车身前后轮悬挂安装点施加固定铰链约束，在车身前后排各座椅安装点中心对称施加垂直载荷。

进一步地，所述步骤3具体包括：

按照下面的公式计算关键结构子区域的应变能密度、车身整体的应变能密度及关键结构子区域的承载系数：

式中，k＝1，2，…，K，K为关键结构子区域的个数，m_k、s_k、u_k和α_k分别为第k个关键结构子区域的质量、应变能、应变能密度和承载系数，M、S和U分别为车身整体的质量、应变能和应变能密度。

进一步地，所述步骤4具体包括：

步骤4.1，确定承载系数大于第一阈值Y1的关键结构子区域为车身结构刚度薄弱区域，其中Y1>1；

步骤4.2，增加车身结构刚度薄弱区域的质量，减小承载系数小于第二阈值Y2的关键结构子区域的质量，计算每个关键结构子区域的承载系数，其中，Y2<1<Y1；

步骤4.3，重复步骤4.1、步骤4.2，直到|α_k-1|＜δ，其中，α_k为第k个关键结构子区域的承载系数，k＝1，2，…，K，K为关键结构子区域的个数，δ为设定的阈值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过从车身整体区域中划分出关键结构子区域，计算车身加载工况下的车身整体的质量和应变能以及关键结构子区域的质量和应变能，计算关键结构子区域的应变能密度及承载系数，根据关键结构子区域的承载系数的大小，确定车身结构刚度的薄弱区域，通过调整关键结构子区域的质量即进行增重和减重处理，使关键结构子区域的应变能密度趋于均匀，实现了基于应变能密度均匀的车身结构刚度设计。本发明根据关键结构子区域的承载系数的大小，可以快速确定车身结构刚度的薄弱区域，通过进行增重和减重处理，能够使车身的应变能密度趋于均匀，从而使车身结构刚度趋于均匀；通过进行以减重或减厚为主的处理，有利于轻量化设计。

附图说明

图1为本发明实施例一种车身结构刚度设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例一种车身结构刚度设计方法的流程图如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S101，从车身整体区域中划分出关键结构子区域，每个关键结构子区域包含一个关键承载构件和使所述子区域完整的其它构件，关键承载构件是刚度占车身整体刚度的比例超过设定阈值的构件；

在本步骤中，涉及到关键承载构件的概念，关键承载构件是指对车身弯曲刚度和扭转刚度贡献较大的构件，或者说是刚度占车身整体刚度的比例超过设定阈值的构件，比如，车身的接头部位对结构刚度的影响较大，应当使其有足够的刚度。一般情况下车身接头刚度占车身整体刚度的60％左右；同时在路试中，车身接头常常是出现疲劳开裂几率最高的位置。优化接头结构是提高车身性能的主要途径。因此接头是车身结构中主要的关键承载构件。要优化关键承载构件的结构设计，首先要进行关键结构子区域的划分，也就是从车身整体区域中划分出所有的关键结构子区域。每个关键结构子区域主要由一个关键承载构件组成，为了使所述子区域成为一个完整的子区域，还应包括与所述关键承载构件相邻的一些其它构件。比如，如果关键承载构件为一接头，为了保证接头的完整性，包含该接头的子区域还应包括它的加强板、翻边和为接近或减轻重量而设的孔。

S102，计算车身加载工况下的车身整体的质量和应变能以及关键结构子区域的质量和应变能。

本步骤是进行车身加载工况下的应变能计算。应变能是结构在载荷作用下由于发生变形储存弹性势能。应变能的大小可以用来表示结构承担载荷的多少。一般采用有限元法通过建立各个构件的模型进行应变能计算。本步骤主要用于计算车身整体的应变能和质量以及各关键结构子区域的应变能和质量，为下一步的计算做准备。

S103，计算关键结构子区域的应变能密度、车身整体的应变能密度及关键结构子区域的承载系数，关键结构子区域的承载系数等于关键结构子区域的应变能密度与车身整体的应变能密度的比值；

在本步骤中，根据S102得到的车身整体的应变能和质量以及各关键结构子区域的应变能和质量，计算车身整体的应变能密度、关键结构子区域的应变能密度和承载系数。应变能密度等于应变能与质量的比值。关键结构子区域的承载系数等于关键结构子区域的应变能密度与车身整体的应变能密度的比值。关键结构子区域的承载系数的大小，反映了关键结构子区域的应变能密度相与车身整体的应变能密度相比的相对大小。关键结构子区域的承载系数越大，其应变能密度就越大，其结构刚度越小，越需要加强；关键结构子区域的承载系数大于1，说明其应变能密度大于车身整体的应变能密度。根据承载系数的大小可以确定车身结构刚度薄弱区域。

S104，根据关键结构子区域的承载系数的大小，确定车身结构刚度薄弱区域，通过调整关键结构子区域的质量即进行增重和减重处理，使关键结构子区域的应变能密度趋于均匀。

在本步骤中，根据关键结构子区域的承载系数的大小，确定车身结构刚度薄弱区域及需要增重和减重的区域，通过增重和减重处理，使关键结构子区域的应变能密度趋于均匀。根据前述分析，关键结构子区域的承载系数越大，其应变能密度越大，该区域的结构刚度越小。因此，车身结构刚度薄弱区域应该是承载系数明显大于1的关键结构子区域，对该区域应该增重即增大质量，以减小该区域的应变能密度；对承载系数明显小于1的关键结构子区域减重即减小质量，以增大该区域的应变能密度，使车身的应变能密度趋于均匀，从而车身的结构刚度趋于均匀。如果增重和减重处理以减重(或减厚)为主，可以减小车身的重量，有利于轻量化设计。

作为一种可选实施例，所述关键承载构件主要包括车身的接头、前后纵梁以及地板横梁。

本实施例给出了车身的关键承载构件的具体实例。如前述，关键承载构件是指对车身刚度贡献较大的构件，接头是车身结构中主要的关键承载构件，除了接头，还包括前后纵梁以及地板横梁。不同的车型关键承载构件可能会有不同，本实施例只是给出了几种常见的关键承载构件，并不排除其它符合条件的关键承载构件。优选地，某型汽车车身的关键承载构件具体包括：A柱上接头，A柱中接头，A柱下接头，B柱上接头，B柱下接头，B柱中部区域，C柱上接头，C柱下接头，D柱上接头，D柱下接头，第一地板横梁，第二地板横梁，第三地板横梁，第四地板横梁，第五地板横梁，第六地板横梁，后横梁，纵梁前段，纵梁中段，纵梁前后段，前隔板上部。

作为一种可选实施例，所述车身加载工况包括整车扭转工况和整车弯曲工况。整车扭转工况是指在车身后部下车体后轮悬挂安装点处施加固定铰链约束，在车身前部前轮处施加方向相反的载荷；整车弯曲工况是指在车身前后轮悬挂安装点施加固定铰链约束，在车身前后排各座椅安装点中心对称施加垂直载荷。

本实施例给出了两种常用的车身加载工况：一种是整车扭转工况，另一种是整车弯曲工况。应变能的计算一般针对这两种工况进行。

作为一种可选实施例，所述S103具体包括：

按照下面的公式计算关键结构子区域的应变能密度、车身整体的应变能密度及关键结构子区域的承载系数：

式中，k＝1，2，…，K，K为关键结构子区域的个数，m_k、s_k、u_k和α_k分别为第k个关键结构子区域的质量、应变能、应变能密度和承载系数，M、S和U分别为车身整体的质量、应变能和应变能密度。

本实施例给出了关键结构子区域的应变能密度、车身整体的应变能密度及关键结构子区域的承载系数的计算公式。首先根据S102得到的关键结构子区域的应变能和质量按照(1)式计算关键结构子区域的应变能密度；然后根据S102得到的车身整体的应变能和质量按照(2)式计算车身整体的应变能密度；最后质量按照(3)式计算关键结构子区域的承载系数。

作为一种可选实施例，所述S104具体包括：

S1041，确定承载系数大于第一阈值Y1的关键结构子区域为车身结构刚度薄弱区域，其中Y1>1；

S1042，增加车身结构刚度薄弱区域的质量，减小承载系数小于第二阈值Y2的关键结构子区域的质量，计算每个关键结构子区域的承载系数，其中，Y2<1<Y1；

S1043，重复执行S1041、S1042，直到|α_k-1|＜δ，其中，α_k为第k个关键结构子区域的承载系数，k＝1，2，…，K，K为关键结构子区域的个数，δ为设定的阈值。

本实施例给出了实现S104的一种具体方法。在S1041中，通过比较关键结构子区域的承载系数是否大于设定的第一阈值Y1确定车身结构刚度薄弱区域。Y1是一个明显大于1的值，如果承载系数大于Y1，该子区域的应变能密度明显大于车身整体的应变能密度，说明该子区域的刚度较小，所以该子区域属于车身结构刚度薄弱区域。在S1042中，通过增重和减重使应变能密度趋于均匀。车身结构刚度薄弱区域的应变能密度大，因此需要进行增重即提高质量以减小应变能密度；对于应变能密度明显小于车身整体的应变能密度的区域，即承载系数小于设定的第二阈值Y2(明显小于1)的关键结构子区域，进行减重即减小质量以提高应变能密度。由于只进行一次增重和减重不一定能达到满意的结果，因此，在S1043中重复执行S1041、S1042，直到使每个关键结构子区域的承载系数与1的误差小于设定的阈值δ，也就是使每个关键结构子区域的应变能密度尽量地接近车身整体的应变能密度。δ的取值理论上越小越好，但由于实际结构的限制也不宜太小，根据实践经验选取。

为了证明本发明所述方法的有效性，下面给出一组实验数据。表1是采用有限元法计算得到的某型车车身在两种不同工况下的关键结构子区域的承载系数。表中的序号是按承载系数从大到小排列的。

表1减重增重处理前的关键结构子区域的承载系数

序号	扭转工况	承载系数	整弯工况	承载系数
					1	第三地板横梁	3.81	第三地板横梁	9.89
2	纵梁后段	3.52	第二地板横梁	7.59
					3	C柱上接头	3.42	纵梁中段	3.32
4	B柱上接头	3.14	第一地板横梁	2.29
					5	D柱下接头	3.01	纵梁后段	2.22
6	D柱上接头	1.55	C柱上接头	1.26
					7	B柱下接头	1.45	B柱上接头	1.02
8	A柱中接头	1.37	A柱中接头	0.84
					9	第二地板横梁	1.25	前隔板(上部)	0.56
10	C柱下接头	1.19	C柱下接头	0.55
					11	后横梁	1.19	B柱下接头	0.55
12	A柱上接头	1.84	纵梁前段	0.38
					13	A柱下接头	0.71	B柱中部区域	0.37
14	纵梁中段	0.55	第四地板横梁	0.31
					15	前隔板(上部)	0.45	A柱上接头	0.21
16	B柱中部区域	0.44	A柱下接头	0.20
					17	纵梁前段	0.40	D柱上接头	0.18
18	第五地板横梁	0.31	第五地板横梁	0.12
					19	第四地板横梁	0.18	D柱下接头	0.02
20	第一地板横梁	0.17	第六地板横梁	0.02
					21	第六地板横梁	0.11	后横梁	0.02

由表1可知，序号1～5的关键结构子区域的承载系数过大且大于1，说明这些子区域结构刚度相对车身整体结构刚度偏小，可判为车身结构刚度薄弱区域；序号17～21的车身结构承载系数过小且小于1，说明这些子区域结构刚度相对于车身整体结构刚度偏强。因此，对序号1～5的子区域增重1kg质量，对序号17～21的子区域减重1kg质量。对这些子区域均增重或减重1kg，只是为了简便且数据工整，实际处理时会根据不同的承载系数增重或减重不同的质量。表2是进行上述处理后重新计算得到的关键结构子区域的承载系数及与处理前的对比。从表2可以看出，序号1～5的关键结构子区域的承载系数都有一度幅度的下降，说明刚度得到一定的提升；序号17～21的关键结构子区域的承载系数都有一定幅度的上升，说明刚度得到一定减弱。经增重减重处理后关键结构子区域的承载系数和应变能密度更加均匀化，车身刚度也更加均匀化。

表2减重增重处理前后关键结构子区域的承载系数对比

上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。