车身设计理论篇

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车身设计及分析
一、汽车车身概说
汽车车身既是驾驶员的工作场所，也是容纳乘客和货物的场所。
车身应对驾驶员提供便利的工作条件，对乘员提供舒适的乘坐条件，保护他们免受汽车行驶时的振动、噪声，废气的侵袭以及外界恶劣气候的影响，并保证完好无损地运载货物且装卸方便。汽车车身上的一些结构措施和设备还有助于安全行车和减轻事故的后果。
车身应保证汽车具有合理的外部形状，在汽车行驶时能有效地引导周围的气流，以减少空气阻力和燃料消耗。此外，车身还应有助于提高汽车行驶稳定性和改善发动机的冷却条件，并保证车身内部良好的通风。
汽车车身是一件精致的综合艺术品，应以其明晰的雕塑形体、优雅的装饰件和内部覆饰材料以及悦目的色彩使人获得美的感受，点缀人们的生活环境。
汽车车身结构主要包括：车身壳体、车门、车窗、车前钣制件、车身内外装饰件和车身附件、座椅以及通风、暖气、冷气、空气调节装置等等。在货车和专用汽车上还包括车箱和其它装备。
车身壳体是一切车身部件的安装基础，通常是指纵、横梁和支柱等主要承力元件以及与它们相连接的钣件共同组成的刚性空间结构。客车车身多数具有明显的骨架，而轿车车身和货车驾驶室则没有明显的骨架。车身壳体通常还包括在其上敷设的隔音、隔热、防振、防腐、密封等材料及涂层。
车门通过铰链安装在车身壳体上，其结构较复杂，是保证车身的使用性能的重要部件。钣等。这些钣制制件形成了容纳发动机、车轮等部件的空间。
车身外部装饰件主要是指装饰条、车轮装饰罩、标志、浮雕式文字等等。散热器面罩、保险杠、灯具以及后视镜等附件亦有明显的装饰性。
车几部装饰件包括仪表板、顶篷、侧壁、座椅等表面覆饰物，以及窗帘和地毯。在轿车上广泛采用天然纤维或合成纤维的纺织品、人造革或多层复合材料、连皮泡沫塑料等表面覆饰材料；在客车上则大量采用纤维板、纸板、工程塑料板、铝板、花纹橡胶板以及复合装饰板等覆饰材料。
车身附件有：门锁、门铰链、玻璃升降器、各种密封件、风窗刮水器、风窗洗涤器、遮阳板、后视镜、拉手、点烟器、烟灰盒等。在现代汽车上常常装有无线电收放音机和杆式天线，在有的汽车车身上还装有无线电话机、电视机或加热食品的微小炉和小型电冰箱等附属设备。
车身内部的通风、暖气、冷气以及空气调节装置是维持车内正常环境、保证驾驶员和乘客安全舒适的重要装置。座椅也是车身内部重要装置之一。座椅由骨架、座垫、*背和调节机构等组成。座垫和*背应具有一定的弹性。调节机构可使座位前后或上下移动以及调节座垫和*背的倾斜角度。某些座椅还有弹性悬架和减振器，可对其弹性悬架加以调节以便在驾驶员们不同的体重作用下仍能保证座垫离地板的高度适当。在某些货车驾驶室和客车车厢中还设置适应夜间长途行车需要的卧铺。
为保证行车安全，在现代汽车上广泛采用对乘员施加约束的安全带、头枕、气囊以及汽车碰撞时防止乘员受伤的各种缓冲和包垫装置。按照运载货物的不同种类，货车车箱可以是普通栏板式结构、平台式结构、倾卸式结构、闭式车箱、气、液罐以及运输散粒货物(谷物、粉状物等)所采用的气力吹卸专用容罐或者是适于公路、铁路、水路、航空联运和国际联运的各种标准规格的集装箱。
二、车身壳体结构的分类
车身壳体按照受力情况可分为非承载式、半承载式和承载式(或称全承载式)三种。
非承载式车身的特点是车身与车架通过弹簧或橡胶垫作柔性连接。在此种情况下，安装在车架上的车身对车架的加固作用不大，汽车车身仅随本身的重力，它所装载的人和货物的重力及其在汽车行驶时所引起的惯性力和空气阻力。而车架则承受发动机及底盘各部件的重力，这些部件工作时通过其支架传递的力以及汽车行驶时由路面通过车轮和悬架传来的力(最后一项对车架或车身影响最大)。
半承载式车身的特点是车身与车架用螺钉连接、铆接或焊接等方法刚性地连接。在此种情况下，汽车车身除了承受上述各项载荷外，还在一定程度上有助于加固车架，分担车架的部分载荷。
承载式车身的特点是汽车没有车架，车身就作为发动机和底盘各总成的安装基础。在此种情况下，上述各种载荷全部由汽车车身承受。
为了减小汽车的整车质量和节约材料，大多数中级、普通级、微型轿车和部分客车车身常采用承载式结构。货车驾驶室只占汽车长度的小部分，不可能采用承载结构。
没有完整的封闭构架的开式车身(敞篷车)也很难采用承载式结构。高级轿车车身如果为了提高汽车的舒适性，减轻发动机及底盘各总成工作时传来的振动及汽车行驶时由路面通过车轮和悬架传给车身的冲击，则可采用非承载式结构。
轿车车身和货车驾驶室都没有明显的骨架，而是由外部覆盖零件和内部钣件焊合而成的空间结构。
承载式车身的地钣有较完整(厚度也较大)的纵、横承力元件，其前部有两根断面尺寸较粗大的纵梁11，它们往往与两侧的前挡泥钣8和前面的散热器固定框9等焊接成刚性较好的空间构架，以便直接安装发动机和前悬架等部件并承受其工作载荷。
与此相反，非承载式轿车(长头式货车的情况亦相同)的车身前部就较薄弱，其车前钣制件通常不是焊接在车身壳体上，而是用螺钉相互连接起来并安装在车架上。
三、车身壳体结构防护措施
根据碰撞安全性的要求，车身壳体的正确结构应是，使乘客舱具有较大的刚度以便在碰撞时尽量减小变形，同时使车身的头部、尾部等其它离乘员较远的部分的刚度相对较小，在碰撞时得以产生较大的变形而吸引撞击能量，显然，如果车身乘客舱按照汽车行驶时的载荷来设计，其刚度就显得不足，还需要进行局部加强。乘客舱较易加固的是地钣、前围内钣、后围钣等宽大的部件。
门、窗孔洞的周边则是薄弱环节，但风窗支柱和中立柱的断面尺寸又不宜过大，所以只能在其内部贴上较厚的加强钣。在汽车碰撞时，为避免整个乘客舱的构架产生剪切变形或坍塌，最重要的是加固门、窗周边的拐角部分，可在其上贴上加强钣或加大拐角处的过渡圆角。
要使乘客舱获得必要的刚度，不能仅*局部补强的办法，而应就整个车身结构通盘考虑。众所周知，杆件或梁在弯曲时变形较大而在拉伸或压缩时变形较小。
因此，车身客舱构件应合理布置，使之尽量少承受弯曲载荷。在汽车头部或尾部受撞击时，可通过倾斜的构件将力传递至客舱的纵向构件，使之承受压缩或拉伸。
为了使车身头部和尾部的刚度较小，可以在粗大的构件或强固的部件上开孔或开槽来削弱其刚度，或者使构件在汽车碰撞时承受弯曲载荷。车身前部安装发动机和前悬架的纵、横梁都较粗大，因此某些现代轿车的前部纵梁不是平直的，而是有意弯折成Z字形以便在碰撞时折叠变形并吸收冲击能量。
为使乘客舱侧面较强固以便承受较大的撞击力，车身的门槛通常较粗大，并用横梁将左右两根门槛连接起来共同受力。此外在门外钣的内表面还常常贴有瓦楞状加强钣。
四、空气空力学
汽车风阻的五个组成部分
车身造型设计是一门很大的学问，其中重要的内容就是风阻问题。
平常说的风阻大都是指汽车的外部与气流作用产生的阻力。实际上，流经汽车内部的气流也对汽车的行驶构成阻力。研究表明，作用在汽车上的阻力是由5个部分组成的。
一、外型阻力，指汽车前部的正压力和车身后部的负压力之差形成的阻力，约占整个空气阻力的58%；
二、干扰阻力，指汽车表面突出的零件，如保险杠、后视镜、前牌照、排水槽、底盘传动机构等引起气流互相干扰产生的阻力，约占整个空气阻力的14%；
三、内部阻力，指汽车内部通风气流、冷却发动机的气流等造成的阻力，约占整个空气阻力的12%；
四、由高速行驶产生的升力所造成的阻力，约占整个空气阻力的7%；
五、空气相对车身流动的摩擦力，约占整个空气阻力的9%；
针对第一、二种阻力，轿车车身应该尽量设计成流线型，横向截面面积不要太大，车身各部分用适当的圆弧过渡，尽量减少突出车身的附件，前脸、发动机舱盖、前挡风玻璃适当向后倾斜，后窗、后顶盖的长度、倾角的设计要适当。此外，还可以在适当的位置安装导流板或扰流板。通过研究汽车外部的气流规律，不仅可以设计出更加合理的车身结构，还可以巧妙地引导气流，适当利用局部气流的冲刷作用减少车身上的尘土沉积。
针对第四种阻力，要设法降低行驶中的升力，包括使弦线前低后高，底版尾部适当上翘，安装导流板和扰流板等措施。
一部分外部气流被引进汽车内部，可能会在一定程度上减少了外部气流对汽车的阻力，但气流在流经内部气道时也产生的摩擦、旋涡损失。研究汽车内部的气流规律，可以尽量减少内部气阻，有效地进行冷却和通风。利用气流分布规律，还可以巧妙地把发动机的进气口安排在高压区，提高进气效率，减少高压区附近的涡流，同时把排气口安排在低压区，使排气更加顺畅。
五、轿车车身设计
车身设计造型涉及诸如空气动力学，人体工程学、制造工艺学、美学、计算机图形学、结构学、材料学等等学科，它是一种技术和劳动密集型相结合的产品，它的制造成本约占汽车总成本的一半，其设计成本比重在整车总设计中已属最大头，所以车身设计成为制约着汽车制造和新车型开发的关键。
轿车车身设计主要考虑三个耐碰撞面，即前面和后面的碰撞面，另一个是侧面的碰撞面。关于乘用车的耐碰撞性能，各国都有相应的法规，设计者的任务就是要保证汽车符合有关法规标准，能够通过规定的碰撞试验。
为了尽量保证碰撞后轿车乘员乘员的安全，目前许多轿车的车身前部和后部，都设计出一定的碰撞变形区域，以吸收大部分的碰撞冲击能量，尽量维护乘员厢的安全。
在汽车碰撞试验中，美国标准是正面及与碰撞墙呈正负30度夹角，欧洲标准则是正面40%接触的碰撞，固定壁碰撞试验的试验车速为55公里/小时（后面碰撞为50公里/小时），试验车净质量为1600公斤。碰撞后方向盘水平位移量不大于127毫米，不能大量泄漏燃油，假人的任何肢体部分都不得离开车厢，假人各部分损伤不能超过规定标准。为了达到这些要求，现代轿车车身前面都设置有较大的碰撞变形区域和高强度的保险杠，以承受冲击力，吸收大部分碰撞能量。
车后面也有作用相同的结构，但防护程度没有前面那么高，因为发生后面撞击时，两车的相对速度等于两车速度之差，而两车前端迎面碰撞的相对速度是两车速度之和，两种情况产生的撞击力大小差别很大。
轿车前、后面碰撞变形区域的设计，一般是在纵梁上人为地设置一些薄弱的缺口，汽车碰撞后在纵梁受冲击挤压，缺口处隆起变形或呈现折叠式弯曲，吸收较多的冲击能量，以减少冲击能量向乘员厢传递。有一些车（例如Polo）前纵梁做成中间厚两端薄的不对称截面纵梁，根据碰撞能量的冲击力对材料和材料厚度进行优化设计，对前、后围板在不同位置分别有不同材料厚度，从达到碰撞时折叠吸收碰撞能量的效果。有一些车在碰撞时前纵梁与副车架会自动脱开，发动机下沉，避免发动机撞入乘员厢内。
在侧面碰撞中，轿车车身允许碰撞变形的余地很少，因此只能采取加强侧围和车门的耐碰撞能力。例如加厚纵梁中段截面，增加横向防撞梁，增强侧围刚度。车门内加添横向钢管，改进立柱的横截面形状，增强前、中、后柱的强度。这样才能在车速为50公里/小时、质量超过950公斤以上的碰撞试验物体的碰撞之后，车内假人无伤害。在实例中，一些车（例如Polo）就是通过侧围和车门的碰撞加强措施，使得侧面发生碰撞时车身的总体侵入量少，侵入速度的时间分布合理，中柱变形均匀。这些都是当侧面碰撞发生对乘员保护的必备条件。
六、轿车车身上的三大立柱
由各种各样的骨架件和板件通过焊接拼装而成的轿车车身，也就是行业俗称的“白车身”。
车身的骨架件和板件多用钢板冲压而成，车身专用钢板具有深拉延时不易产生裂纹的特点。根据车身不同的位置，一些要防止生锈的部位使用锌钢板，例如翼子板、车顶盖等；一些承受应力较大的部位使用高强度钢板，例如散热器支承横梁、上边梁等。轿车车身结构中常用钢板的厚度为0.6～3毫米，大多数零件用材厚度是0.8～1.0毫米。
在轿车车身构造中，有些重要零件的位置涉及到车辆的整体布置、安全及驾乘舒适性问题，例如立柱。
一般轿车车身有三个立柱，从前往后依次为前柱（A柱）、中柱（B柱）、后柱（C柱）。对于轿车而言，立柱除了支撑作用，也起到门框的作用。
设计师考虑前柱几何形状方案时还必须要考虑到前柱遮挡驾驶者视线的角度问题。一般情况下，驾驶者通过前柱处的视线，双目重叠角总计为5～6度，从驾驶者的舒适性看，重叠角越小越好，但这涉及到前柱的刚度，既要有一定的几何尺寸保持前柱的高刚度，又要减少驾驶者的视线遮挡影响，是一个矛盾的问题。设计者必须尽量使两者平衡以取得最佳效果。在2001年北美国际车展上瑞典沃尔沃推出最新概念车SCC，就将前柱改为通透形式，镶嵌透明玻璃让驾驶者可以透过柱体观察外界，令视野盲点减少到最低程度。
中柱不但支撑车顶盖，还要承受前、后车门的支承力，在中柱上还要装置一些附加零部件，例如前排座位的安全带，有时还要穿电线线束。因此中柱大都有外凸半径，以保证有较好的力传递性能。现代轿车的中柱截面形状是比较复杂的，它由多件冲压钢板焊接而成。随着汽车制造技术的发展，不用焊接而直接采用液压成型的封闭式截面中柱巳经问世，它的刚度大大提高而重量大幅减小，有利于现代轿车的轻量化。不过，有些设计师却从乘客上下车的便利性考虑，索性取消中柱。最典型的是法国雪铁龙C3轿车，车身左右两侧的中柱都被取消，前后门对开，乘员完全无障碍上下车。当然，取消中柱就要相应增强前、后柱，其车身结构必须要用新的形式，材料选用也有所不同。
后柱与前柱、中柱不同的一点就是不存在视线遮挡及上下车障碍等问题，因此构造尺寸大些也无妨，关键是后柱与车身的密封性要可靠。
刚度是汽车车身设计的指标，刚度是指在施加不致于毁坏车身的普通外力时车身不容易变形的能力，也就是指恢复原形的弹性变形能力。汽车在行驶过程中受到各种外力影响会产生变形，变形程度小就是刚度好，一般情况刚度好强度也好。刚度差的汽车，行驶在不平路面上就容易发出嘎吱嘎吱的响声。立柱的刚度很大程度上决定了车身的整体刚度，因此在整个车身结构中，立柱是关键件，它要有很高的刚度。
七、车身CAE
静态分析，即用有限元法分析白车身的刚度、强度，包括结构、连接点、重要部位、焊点等；
动态分析，即用有限元法分析白车身的模态，给出振动和噪声状况；
碰撞分析，即用专用软件模拟撞车时的车身状态；
八、车身FEM
FEM（FINITE ELEMENT MODE）有限元法是一种随计算机技术进步而发展起来的计算方法，对分析复杂的几何形状受力情况和约束情况进行较大简化后再粗略估算，与实际情况有较大差别。FEM在车身设计上的应用，是先将车身剖分成由有限个单元组成的数以千百计的离散组合体，再运用力学原理分析每个单元的受力特性，然后组集成各个单元的特性，从而得到车身的应力场和具能有效的分析计算及模拟车身的实际受力和结构形状的变化，以及被约束的情况等。由于有元法计算精确，计算结果更接近实际，早在50年代就开始应用于飞机的设计，取得了很成功的经验，后来很快推广到汽车车身及零部件的设计中。目前FEM技术无论在理论研究上或实践指导方面都发展到成熟的阶段，它在处理大型等距离微机化及增强前后处理能力方面，以及在优化结构设计智能型有限元自动估算误差功能等都有了较大的进展。
在FEM设计过程中，轿车车身可按简化结构建模，如车身可按简化结构建模，如车身上可A、B柱类件均是由若干个零部件围成的承载结构，可简化为梁薄壳结构单元；车顶盖和地板等板状支承结构，可简化为板壳结构单元；它们靠一种称之为弹性件来连结。由于各结构元属细分法取得，则一个车身可简化为成千个单位件和节点所构成，以此建立有限元车身力学模型。FEM的造型设计两种，一般可分为概念设计、过程设计及准确设计三个阶段，与之相对应要建立三个FEM模型。概念设计阶段也称简单FEM，其任务是根据车身总体设计思想和预期使用条件，经过粗略有限元模拟以取得对下步设计的指导作用和取得相关数据，它对计算机的条件和计算时间都要求较低，可快带获取计算结果。过程FEM阶段的任务是根据上步设计数据、完成对零部件的设计、修改和取舍。准确FEM的意义在于经过实车试验后数据经反复修改以确定出吻合的准确FEM，并可根据市场反馈意见，进行快速局部修改，并建立对车身动力学如碰撞响应的有限元模型。
这里必须强调的是，在车身设计的全过程中，概念设计的作用十分重要，通过概念设计就基本上确定车身的结构形式和参数，直接影响后续设计的正确和周期，减少重复设计，而且概念设计成本约占总设计成本的70%，对整车成本构成的比重较大。

沸腾的冰

最好是把几个篇章都放在一起，那样就全面了！