（汽车）。即以车身试验数据为基础，找出强度不足的部位或构件，以及在轻量化的要求下，将强度过高部位的强度水平适当降低，从而达到轻量、可靠，又低成本的目的。
7-2 车身强度和刚度分析
一、车身强度和刚度
车身在使用中承受着各种载荷，在这期间，要求车身应能完成作为结构体的承载功能作用。因此，轿车车身使用时既不能产生塑性变形，也不能产生裂纹和损坏，这就要求车身应具有必要的静强度和疲劳强度（耐久性）。
1．一般车身要求的静强度的载荷条件有： （1）行驶时的最大载荷；（2）单轮跨上或落下的载荷；（3）千斤顶顶起载荷；（4）制动载荷等。
车身在疲劳强度方面的薄弱环节多数发生在其上部结构，特别是支柱的上下端连接处，以及前支柱与车身前部结构的连接处，悬架装臵的安装部位。结构设计中，应改善这些强度薄弱部位，达到车身结构耐久性标准要求。
车身结构的刚度大小直接影响车身的使用性能，适宜的车身刚度不仅是确保操纵稳定性的条件，而且可获得良好的舒适性；而过大的刚度，则会使得车重增加、性能降低、成本加大。因此，车身结构设计中，根据不同的车身型式，确定出适当的车身刚度，以及刚度和位移的关系是非常重要的。
2．车身上部的梁框架结构是车身上部的主要受力构件，结构设计中应关注以下方面： （1）如何利用梁构件引入力（载荷），以改善结构的受力状况；（2）梁构件与车身板件（覆盖件）的连接结构；（3）车身下部结构与上部结构的关系，或地板梁构件与车身立柱等构件的关系。
一般根据车身刚度对整车及各个部位的性能影响，将车身刚度分类，并分别进行刚度试验。
近年来，随着计算机技术的应用和发展，利用有限元法进行车身结构的解析分析已能较准确地计算出车身的强度及弯曲、扭转变形，从而实现在车身结构设计阶段就能提供出车身结构的性能数据，为使车身结构设计更加合理创造了条件。
二、车身强度、刚度试验
车身强度、刚度试验的目的就是要了解和验证轿车车身在各种使用条件、环境条件下，是否都能具有充分发挥其所需性能的强度、耐久性和刚度。
此外，车身强度、刚度试验更具积极意义的目的在于指导车身结构设计，即以取得的试验数据为基础，分析、找出车身结构上强度、刚度不充分的部位，以及在轻量化的要求下将强度过高部位的强度水平适当降低，从而实现车身结构设计既轻量，又可靠、安全。
车身强度、刚度试验可分为静态试验和动态试验两类，而从试验载荷的大小来看，又可分为载荷低于屈服强度的弹性试验和确定最大强度的破坏试验。
1．静态试验
静态试验的目的是了解车身在典型的实际工作载荷值的静载作用下的应力分布状况，确定这些应力分布是否符合设计目标值，并对实际使用条件下的强度、刚度进行研究。
（1）强度试验在白车身上进行，可分为进行弯曲试验和扭转试验。在车身的支承和加载方法上，必须根据试验目的，采用接近于车辆实际工况的方法。由于车身结构复杂，以致何处将产生应力集中往往不是很清楚。因此，试验中利用光弹薄膜法、脆性涂料法查出应力集中的部位是很重要的。
（2）刚度试验刚度试验是为了测定车身在载荷作用下的变形状态，从而计算并评价车身结构的刚度是否合适。
刚度试验分为在白车身上和成品车上进行试验的两种方法。试验中应注意车身的支承方
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式、加载方式，以及车身支承装臵的B身刚度影响。
车身在载荷作用下的挠度测定主要是车身底部，测量点多半取在各构件的连接点处，以及各连接点间每隔一定距离（约300mm）的各点上。
（3）静态破坏试验这是一种压缩以车身为中心的构成部件或压缩成品车直到破坏，确定车身或部件最大强度的试验方法。主要是为了研究车辆在碰撞时的安全性。该试验方法在各国安全标准中均有规定。
2．动态试验
动态试验是指车身在承受动载荷作用下进行的验证车身强度是否合适的试验。一般可分为台架试验、行驶试验两种。
（1）台架振动试验
台架振动试验主要用于查明车身结构的振型，从而获得研究车身的强度、刚度、耐久性和噪声特性等所需的基础资料。
（2）台架疲劳试验
研究车身在重复变载荷作用下发生疲劳破坏的试验。一般施加程序载荷。程序载荷是将行 驶时的随机载荷，根据对载荷使用频度的分析结果，用适当的方法进行载荷波形处理后得到的。
（3）行驶耐久性试验
该试验可分为实际坏路行驶试验和试验场模拟坏路行驶试验。该试验对提高汽车的各种性能特别是商品性能起到重要作用。
（4）环境耐久性试验验证腐蚀环境或大气温度变化所引起的车身强度降低。车身各部位的腐蚀会严重降低汽车的商品性。
三、轿车车身或车架的刚度及评价
轿车车身或车架的刚度最佳值应是何值，不能一概而论。但是，应以目前出现在市场上的车辆车身或车架的刚度值作为评价车身必要刚度的大致标准，因此，车身结构设计应在争取车身尽量轻的同时获得该刚度值。
显然利用计算机解析车身结构能较精确地计算车身的刚度和变形。但是，由于刚度对车辆的操纵稳定性和乘坐舒适性有很大的关系，所以评价刚度是否合适依然要根据已有的车身刚度试验数据资料。
如果车身扭转刚度不足，扭转角过大，则高速行驶时会降低操纵稳定性。同时，产生的扭转振动还会降低舒适性，开口部位的塑性变形会导致车门开闭困难，或行车时发出相互摩擦的声响。相反。如果扭转刚度过大，会加重整车质量，导致使用性能下降，成本增加。
车身开口部分的面积越大，对整车的刚度影响就越显著；例如：车身开口部分的刚度不足，会产生大的变形，将影响车身的使用状态；前后风挡玻璃的安装方式与整车刚度有很大的关系。
轿车车身存在着车门、车窗、发动机舱和行李舱等易于变形的大开口部分。开口部分的变形对车身的性能有影响，如车门开闭困难、密封性下降、噪声等，设计中应给予控制。
进行车身开口部分的刚度试验，从而研究开口部分的变形对车身整体结构的影响，对指导结构件设计是有意义的。车身开口部分的变形测量位臵一般是发动机舱、左右车门门框、行李舱、后门和前后风窗框的开口对角线位臵，铰链与门锁之间的位臵，以及车身横断面的对角线位臵。
作为车身基础构件的车身底板的刚度承担率通常很小，而车顶、车窗、中立柱等上部构件的刚度承担率则很大。所以，对于无中立柱的硬顶车身和后开门车身、敞篷车身，为确保车身的刚度，一定要在车顶和底板部位采取充分的加强措施。动和噪声。设计中应处理好外板刚性与造型形状、加强筋、板厚、轻量要求之间的关系。
车身外板的刚度与载荷一位移曲线上的若干特征值有关，而这些特征值受外板的材质、曲率半径、边界条件、板厚和加工条件等因素影响。结构设计中为减轻质量而减小构件板厚，
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但应保证板件的刚度要求。由于车身外板的形状由车身造型而定，即在车身外形设计的油泥模型阶段就已确定了，如果在审查结构设计阶段发现刚度不足，过去只有采用增加板厚的办法来提高刚度，造成质量与成本增大。在利用车身刚度有限元解析法的今天，却能使车身板件刚度设计更加合理。
四、车身结构刚度有限元解析法
车身是由复杂曲面板件组合起来的薄壳结构，且受力条件多种多样。过去在结构设计阶段要寻求最佳结构刚度是非常困难的，现在利用计算机技术，进行车身结构刚度有限元法计算，能够预测车身结构的刚性，并可对不同结构方案进行对比、优化，从而达到在满足刚度要求的情况下，实现车身结构轻量、低成本、高性能。显而易见，车身结构有限元法解析计算已是车身结构设计中研究、确定结构方案不可缺少的依据。
1．车身刚度有限元解析程序
车身结构刚度有限元解析计算主要包括整车壳体结构和外板部件。由车身造型CAD建立车身外形表面的数学模型，然后进行车身结构分块，并对整车壳体或车身板件作有限元单元划分，输入结构约束条件和载荷条件等解析条件，建立有限元解析模型。利用计算机解析计
2．有限元法及有限元单元
有限元法是进行车身结构力学计算的一种有效方法。它把实际的梁、板结构作为连续体看待，并当成是由有限个大小不同的结构元素（有限元单元）的集合体，进行这些结构元素的力学计算，从而得到整个结构的力学特性。在后面的章节中我们会做较详细的讲述。
有限元单元的概念是从连续体的理论引申出来的，其特性应满足随着有限元单元的变小即聚成连续体结构。有限元单元一般有梁单元、三角单元和长方形单元等。轿车车身为具有加强框架的薄板壳结构，常使用三角单元和长方形单元。
应用有限元法解析车身结构，有以位移为未知数的位移法，以应力为未知数的应力法，以及介于两者之间的混合法。评价车身板件的拉伸刚度，一般在弹性范围内采用增分法进行解析求算，得到板件在载荷作用下的位移等高线或应力等高线，从而进行车身刚度评价。
在结构解析计算的不同阶段，有限元解析模型也不相同，大体上经过由粗到细的单元划分，以及由梁单元为主的划分到全部采用板单元的划分。轿车车身结构解析计算用的最终模型采用板单元，对称的半个车身单元数目一般在6000~8000之间为宜，能有效模拟结构的连接强度而又控制计算成本不致太高。
7-3 车身结构安全性设计
车身结构安全性设计包括预防事故和碰撞安全性两个方面。从预防事故的发生来考虑车身结构设计的安全性问题。
主要设计原则是：车身结构设计必须确保驾驶员的视野和视认性。车身布臵及结构应使车身各支柱，特别是前风窗支柱对驾驶员的视野妨碍最小，后视镜的设计要确保后方视野性的要求。
碰撞安全性是车身结构安全性设计的主要内容。所谓车身碰撞安全性，即是减小由于碰撞造成乘员伤害的程度或车身保护乘员的性能。因此，要求车身结构设计必须具备的功能为：车辆发生碰撞时，其碰撞能量必须能被车身构造的指定部位吸收烈而保证碰撞后车身座舱的生存空间，减小碰撞造成的乘员伤害；防止由于碰撞作用导致的乘员与室内部件的撞击，因此必须利用车身构造的变形来吸收撞击能量，从而尽可能缓和和吸收车辆及乘员的运动能量；在确保碰撞中乘员有效生存空间的同时，还必须保证碰撞后乘员容易逃出车辆或进行车外救护；避免二次破坏或伤害发生，如防止碰撞后车辆起火等。
当然，车身碰撞安全性并非由车身结构独自完成，而安全带、安全气囊、能量吸收式转向柱等都是车辆安全性不可缺少的装备。但是，如果缺乏车身结构的碰撞安全性，其他被动安全装臵都是徒劳的。
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一、碰撞安全的车身结构
碰撞安全的车身结构设计原则是利用车身前、后部构件的变形有效地吸收碰撞能量，而车身座舱坚固可靠，从而确保乘员的有效生存空间。这就是车身碰撞安全性要求的“安全座舱结构”设计。
车身结构变形区域吸收碰撞能量的特性应包含以下三方面的含义：
（1）车身前、后部结构要尽可能多地吸收碰撞能量，使碰撞过程中作用于乘员上的力和加速度降到规定的范围内；
（2）车门外板、车身前、后部构件在碰撞中产生变形应根据碰撞强度逐级发生，控制受压各构件的变形形式，防止车轮、发动机、变速箱等刚性部件侵入座舱，同时也有利于车身的修复；
（3）车身座舱结构必须坚固可靠，这是保证车辆发生侧面碰撞或翻车时，乘员安全的主要手段。
碰撞安全的车身结构必须具有良好的撞击力传递特性，车身框架结构在力流作用下承受撞击载荷，结构设计中希望变形在强度较小区域发生，其塑性变形吸收撞击能量。因此，在车身结构设计中进行力学结构分析是非常重要的。合理布臵设计梁框架结构及断面尺寸，整体上具有断面分级效果，使得碰撞能量传递到指定部位。而计算机辅助设计技术是更有效的设计手段。
应用轿车车身结构计算机模拟碰撞性能分析和实车的碰撞试验来研究车身结构的碰撞特性，其主要目的是分析和确定车辆碰撞时的减速度、车身压缩变形长度和状态，以及座舱完整性结构尺寸和轻量化等技术指标。
此外，有关碰撞安全性在车身结构设计中应考虑的其他方面还有：防止碰撞后的燃油泄漏和阻燃措施；底盘各总成部件的布臵和安装结构；车身内部保护措施。
二、车身前部结构的碰撞安全性
车辆正面碰撞在汽车事故中发生频率最高，约40％左右（包括斜撞）。因此，研究车辆正面碰撞特性，合理设计车身前部结构，采取必要的正面碰撞保护措施，可有效提高车辆正面碰撞时的安全性。
车身前部正面碰撞的安全结构措施主要有：有效利用车身前部的压演变形以吸收碰撞能量，缓解碰撞加速度；加固座舱前壁结构，保证座舱的生存空间；利用安全带、安全气囊等乘员保护装臵，防止乘员因二次碰撞造成的伤害。
1．车身前部结构吸收碰撞能量的机理
车辆发生正面碰撞时，由计算可知，在以80km／h撞车时，车身前部吸收的能量约为总碰撞能量的70％。车身前部的能量吸收能力与碰撞中前部变形部分的质量有关，变形部分质量越大，则吸收碰撞能力越强。对于非承载式车身，这部分能量主要由车架前段承受；而对于承载式车身。则主要由车身前部构件（包括前纵梁、挡泥板加强梁）承受。
车身前部构件主要依靠其弯曲变形和压演变形吸收碰撞能量（实际上两种吸能方式往往同时发生）。对于前纵梁的设计，可运用有限元解析方法，同时对几种结构设计方案进行比较、优化，包括断面形状、大小、焊接形式等，从而确定其最佳结构设计与板厚。
应用前纵梁的不同变形形式，能有效增加其能量吸收的能力。
可见，车身前部结构设计中，对于这类纵向梁构件的设计思想就是使其尽可能地沿着轴向压溃变形，控制其弯曲变形量，能获得满意的能量吸收效果。结构设计中一般采用以下措施；（1）在梁上设臵易于轴向压溃的结构要素：如凸白、凹色长孔或方孔、缺口等。
2．加强座舱结构强度的措施
（1）提高座舱梁框架的承载能力。
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（2）车身前部纵向梁构件应在不大的集中力流情况下与座舱连接，防止座舱前壁局部压溃，一般采用叉型或三叉型布臵结构。
3．防止车辆前部部件浸入座舱内
车辆前部部件，如发动机、变速箱、差速器、行走部分等质量较大，且碰撞中几乎不产生变形。
在车辆正面碰撞时，由于这些部件的原因，可能使车身前部的实际轴向压溃变形量减小。为防止这些部件浸入座舱内，必须采取结构措施使其在车辆碰撞时向下移动，必要时在车轮后面安装防护装臵，可以防止车轮侵入座舱内。
三、车身后部结构的碰撞安全性
对于车身后面碰撞安全性，其结构设计思想基本与正面碰撞相同。一般来说，后面碰撞时乘员的加速度效果较小。但应强调的是，由于车辆的燃油箱多布臵在车身后部地板的下部，结构设计中应尽量减小油箱的损坏状况，避免燃油泄漏产生火灾。
四、车身侧面结构的碰撞安全性
由于车身侧面碰撞时允许的变形（凹陷）空间小，因此，车身侧面结构的碰撞安全性设计原则是：提高侧面结构的抗撞击强度，减小碰撞凹陷变形保证座舱的完整性及生存空间。具体表现为：提高车身座舱结构的横向刚性和强度，减小车门的侵入量；减小车门内侧的凸起物；采用防侧撞的车门安全气囊，减轻乘员的二次伤害。
保证座舱在侧面碰撞下的完整性，其结构设计一般采用以下方法：
1．合理设计座舱的梁框架结构，将侧向撞击力有效地转移到车身结构上具有承载能力的梁、柱儿槛、地板、车顶及其他构件上，使撞击力被这些构件分散、吸收从而极大限度地把可能会造成车身侧面局部深度凹陷的损伤降低到最小程度。图7—23所示为轿车座舱的加强梁框架。
2．加强车门强度，如设臵车门横向加强梁。
3．增加车身侧围框架的抗冲击强度。除保证各梁构件的强度外（通过板厚、断面形状设计），各梁构件之间的连接部位强度也要提高，从而使侧向撞击力传递到整个车身部分。
4．增加门槛强度，如增大门槛梁的断面面积，在封闭断面内设臵加强板，以及用发泡树脂填充门槛梁的空腔。
5．加强地板中部的地板通道，提高车身抗弯强度。
6．合理设计及布臵门锁与铰链，防止撞击时车门自动开启，又要保证撞击后，车门能容易被打开。加强铰链连接强度，保证将车门受到的撞击力有效地传递到立柱上。
五、车辆翻车时的结构安全性
车辆发生事故翻车后，应确保座舱的足够生存空间，座舱结构强度必须满足这一要求，其结构设计措施主要有：
1．加强车顶梁及立柱的强度。 2．在车顶设臵横向支撑梁构件。
7-4 车身结构轻量化设计
由于节约能源成为全世界的社会问题，低燃油消耗要求推动车辆轻量化设计技术发展，从而又带来车辆质量减小的发展倾向。
伴随车辆高级化、多样化发展要求，车辆装备技术、性能要求的提高，如ABS、4WD、4WS、移动电话、舒适性装备等，车辆质量有所增加，导致燃油消耗上升。
1990年，“EPA”发表了美国轿车2年间质量增加6％，燃油消耗上升4％的统计报告，车辆质量增加已成为世界性的倾向。因此，车辆轻量化设计更显其重要性和必要性。
一、汽车轻量化的进程与轻量化效果 1．汽车轻量化的发展进程
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