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基于Benchmark的轿车车身结构设计


2005中国汽车工程学会制造年会

2005 SAE—China

Design&Manufacturing Conference

基于Benchmark的轿车车身结构设计
陶恩树雷雨成 同济大学

【摘要】本文在分析基于Benchmark车型进行全新车身结构设计重要性的基础上,给出了基于

Benchmark
车型的车身结构设计的内容、方法、原则,并给出了以A柱设计为例的设计流程。

关键词:Benchmark车身结构设计

Benchmark Based

on

the Car Body Structural Design
Lei Yucheng University

Tao Enshu

Tongji

[Abstract】At first the paper affirms the importance for
based
on

one

new

car

body structure design,which are
car

the Benchmark cars.Then the paper gives the contents,methods,and principles of this design.The last


body

structure

sample of

an

A pillar design process is given. Structural Design

Key

Words:Benchmark

Body

1引言
一辆新轿车从构思设计到成批投产,耗资十分巨大,其中车身开发设计的费用及时间约占整辆汽 车开发费用和时间的一半以上【2】,尽量缩短车身设计周期及减少车身设计费用就显得格外重要。由于 车身结构的确定往往在车身设计中占有重要比重,所以要缩减整车设计时间、费用就要从减少车身结 构设计时间、费用入手。基于Benchmark的车身结构设计能在很大程度上满足上述要求,本文就 Benchmark车型进行全新的车身结构设计流程进行一般的描述。

Benchmark原意是指可依照做出衡量和判断标准的基准点。这里是指在参考几辆同级别成熟车型
关键的点、线、面的基础上结合所开发车型的造型,设计出拥有自主知识产权的新车型。这种设计方 法成效快、简单易掌握、风险小、为大多数小型汽车厂家所广泛采用。

2车身结构设计概述
车身结构设计的内容包括左/右、前/后车门总成的设计(包括前车门内板、外板、车门铰链、玻 璃升降器等的设计)、左,右侧围总成、前围总成、顶盖总成的设计、地板总成、前舱盖板、后行李箱 门的设计等。 任何复杂的车身结构设计都由以下三个方面决定。

2.1满足诸多设计硬点的特征结构设计
所谓设计硬点是指在总布置设计过程中,为保证零部件之间的协调和装配关系及造型风格要求所 确定的控制点、控制线、控制面及控制结构的总称。 例如,造型面硬点、与车身有关的零部件装配孔面及结构等设计硬点、选定的设计断面结构(可 参考Benchmark车型,如图l所示)、 身零件间的焊接装配面、 造型分界线硬点、造型形状形成的设计断面引导线硬点、车 零件的分块线硬点等等。这些硬点的大部分可以从Benchmark车型获得,

从而减少了设计工作量,也保证了少走设计弯路。
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图l

车身设计断面的分类与编号

2.2自由设计区设计 即在满足设计硬点基础上,进行的自由设计区,一般非设计硬点的设计区域都属于自由设计区, 自由设计区不同的设计人员会得到不同的设计结果,这也是自由设计区自由的特点,这也是拥有汽车 设计知识产权公司需要花精力的地方。 自由设计区并不意味着可以随意设计,应遵循如下一些设计方法和设计原则,以便才能使设计结 构更合理,水平更高。 2.2.1自由设计区的设计方法 a先用三维CAD软件将设计硬点(主要来自Benchmark车型)确定的结构与特征连接成一体,成为 一个粗的异型大面,中间可以用一些平面与设计硬点面的相交获得连接线或导角线。 b需要对设计硬点之间形成的任一设计区域(自由设计区)进行分析。对于强度和刚度要求一般 的部位其小于50X50mm的面积区域,如果没有密封要求可以不加特征结构(如加强筋,、加强沉孔、折 边、卷边等),但要在边界上导角。大于50×50的区域一般要加特征结构,并加上导角,使结构刚度、 强度增大并材料最省。 2.2.2自由设计区的设计准则 a、最大刚度原则 自由设计区必须尽力获得最大刚度的设计原则,因此,要加加强筋和加沉孔,以便获得高水平的 设计结构。 b、最轻量化原则 设计结构要确保在满足刚度要求的基础上使材料最省的原则,没有密封要求的结构可以采用沉孔 结构以得到轻量化与刚度最大化的双赢。 c、最大圆角原则 自由设计区,一般都是内部结构区域,不在外观缝隙线条区域,因此,为了提高冲压工艺性,减少制造 成本,应尽可能设计较大的设计过渡圆角,但不能影响设计硬点结构。 d、特征结构最大斜度原则 筋槽设计的立面尽可能采用较大的斜度, e、最符合工艺性原则 从设计结构上和面的光顺程度上尽可能获得好的制造工艺性,如材料流动均匀性与制造可能性。 f、创新与多样化设计原则 自由区域设计就意味着允许设计的多样化,也就是创新原则。 2.3结构优化分析(仿真与优化) 结构设计完成后需要进行某些静、动态仿真与优化。刚度、强度过大部位需要削减材料重新设计; 刚度、强度薄弱部位需要增加材料重新设计甚至整个结构的重新设计。 以便获得较好的制造工艺性,防止冲压裂纹和褶皱。

3基于Benchmark车型的A柱设计流程
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下面就本公司基于Benchmark的车型的A柱设计流程进行一般的阐述。

1i选择合适的几辆Benchmark车型不同位置的A柱断面图(如图2所示)及与A柱相连部件的
结构断面(如图3所示)。

图2

A柱断面结构

图3

A柱相连结构断面

2、将相关位置的断面图与新造型的车身外表面的相应位置对应,采用光顺后的新的外表面断面线 作为断面图中的A柱外板断面线(如图4所示)。

图4

A柱断面对应图

3、根据已确定的外板断面线和参考断面的结构相应修改确定断面图的翻边、焊接线等其它结构。

图5

A柱内、外板结构

4、选取断面图中的截面线,并以新造型的走向为导引线,可以扫描(Sweep)得到A柱内、外板 的基础结构(如图5所示)。

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5、根据安装其它件的要求(如把手、安全带安装支座等)、工艺要求等细化、完善最终的A柱 结构。 车身的其它结构的设计方法同上述A柱设计的步骤相似,同样是基于Benchmark车型断面的设计。 图6为最后完成的车身结构设计,图7为最终完成的白车身设计。

图6最后完成的结构设计

图7最终完成的白车身设计

4总结
随着汽车工业和现代科技的发展,汽车行业的竞争十分激烈,能否以最短的周期、最少的开发费 用、最好的质量和性能开发出新产品或新车型关系到汽车企业的生存和发展。世界著名的
1TALDESIGN、

英国莲花、Berton、德国EDAG、Stola等设计公司都或者拥有自己的Benchmark工

程部门,或者有专门从事Benchmark工程的合作伙伴。国内的汽车设计工程由于起步较晚,多数的汽
车设计与制造公司在汽车造型设计中忽略了对Benchmark工程的研究,没能从已有车型中发现规律,

吸收Benchmark车型的优秀设计元素与理念。
本文简要的阐述了车身结构设计的方法和一般流程,并以A柱的设计为例,希望能对国内一些中 小型汽车设计公司起到抛砖引玉的作用。 参考文献
1 2 3 4

黄天泽,黄金陵.汽车车身结构与设计.第1版.北京:机械工业出版社,1999 吴亚良.现代轿车车身设计.第1版.上海:上海科学技术出版社,1999 于雷,颜旭涛.现代汽车车身的快速开发和制造技术.新技术新工艺,2004:28—30
Saeid

Motavalli,Jorge

Valenzuela.Automatic

Generation of

Dimensionally

Accurate Three

Dimensional

CAD

Models

for Reverse Engineering.

Engineering Design&Automation 4(2),1998:85-100

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基于Benchmark的轿车车身结构设计
作者: 作者单位: 陶恩树, 雷雨成 同济大学

相似文献(10条) 1.学位论文 曹俊 基于确定性定位分析的车身三维偏差模型及求解方法研究 2008
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汽车制造厂商技术实力的趋同,大厂商竞争的重点由性能提高逐渐转移到了汽车的外 形美化上。仿生设计更多地应用到汽车造型的整体态势和细节的设计上,让汽车更具 有自然的和谐感及亲和力。仿生设计能够给汽车设计师带来更多的灵感,让汽车更具 视觉冲击力和美感特征,同时表现出丰富的文化、趣味和情感意向,仿生设计在轿车车 身造型上的成功应用,在一定程度上拉近了人与自然的距离,满足了人们渴望回归自 然的心理需求,诠释了人与自然和谐相处的设计理念。 此次论文关注于对轿车车身造型仿生设计的探索,首先对仿生学及仿生设计学的 相关理论进行了梳理,其次对目前轿车车身造型中仿生设计的应用情况进行了总结, 最后提出了轿车车身造型仿生设计的依据、程序和原则,并以此理论为指导进行了轿 车车身造型仿生设计的实践,提出了仿生设计对现代轿车造型的重要意义以及仿生设 计有利于中国轿车自主品牌建立的观点,希望这次研究能够使轿车车身造型设计师关 注仿生设计在轿车车身造型设计中的价值及实践应用,为消费者设计出更加漂亮、美 观的轿车造型。 关键词:轿车车身;仿生设计;造型;技术;艺术

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7.学位论文 裘真 基于知识的轿车车身内部布置CAD系统的开发与应用初探 1998
该课题是在总结分析轿车车身内部布置的基础上,以Euclid为支撑软件,以Euclid开发语言和Fortran语言为开发工具,利用基于知识的工程设计方法 ,编制形成了能用于轿车车身内部布置校核设计的专用软件,以进一步提高轿车本身内部布置和校核的效率.

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提高汽车的燃油经济性和降低汽车生产的成本已成为现代轿车发展的总的 趋势,国内外各大汽车公司对轻量化设计已经越来越重视。对轿车车身结构进行 刚度特性的分析,汽车设计工程师们以分析的结果作为车身结构优化设计的依 据。全承载式车身结构是如今轿车上采用的结构,此结构在很大程度上可以满足 人们对轿车操纵稳定性、制造工艺性以及车身设计轻量化等多方面的要求。全承 载式车身结构承载了轿车在使用时几乎全部的载荷,这其中包括弯曲载荷、扭转 载荷以及碰撞载荷等。在这些载荷的共同作用下,轿车车身的刚度特性就显得极 为重要。若轿车车身的刚度不足,轿车在日常使用过程中,轿车车身的变形就会 较大,特别是立柱、门框、窗框等一些关键部位,较大的变形可能会造成整车密封 性差、门锁变形、内饰脱落,甚至可能造成车门卡死、窗框玻璃被挤碎等现象; 这样将会直接影响到轿车使用的可靠性、安全性、NVH性能以及燃油经济性等 关键性能指标。国内外各大汽车公司对轿车白车身的结构静态刚度分析计算一直 非常重视。 进行轿车车身刚度及变形的分析计算以及对轿车车身进行结构优化设计,其 主要目的是在保证车身刚度及变形在合理的范围的前提下,对车身结构进行优化 设计。对于车身局部刚度过盈的部分,进行结构改善,使车身刚度分布合理;对 车身局部刚度的薄弱部分进行合理而有效的加强,使车身整体刚度达到初始的设 计要求。另外,车身结构优化可以使车身的振动特性得到改善,并且可以使得车 身重量得以最大程度上的减轻,进一步解决车身轻量化的问题。 本课题是在调查研究了国内外汽车刚度分析相关研究的基础上,建立了某 A0轿车的有限元分析模型,之后对有限元分析模型进行了网格划分,对模型进 行车身弯曲刚度和扭转刚度分析,并对有限元分析模型进行车身刚度的灵敏度计 算,依据刚度灵敏度分析计算的结果,得到车身刚度的敏感构件,掌握不同构件 对白车身刚度性能灵敏度,这为优化设计变量的选择提供了依据。车身结构优化 设计,优化结果表明,研究表明,车身的设计开发过程中,灵敏度分析为车身结 构修改提供了依据,是提升车身刚度及车身轻量化的有效途径。 关键词:白车身;刚度;灵敏度 结构优化

9.学位论文 夏国林 轿车白车身有限元模型修正与优化设计 2007
随着计算机技术和数值分析理论的发展,以有限元分析技术为代表的CAE技术在现代汽车产品设计中扮演着越来越重要的角色,几乎贯穿了汽车设计 的全过程;现代轿车车身广泛采用全承载车身,这种车身整体参与承受来自汽车其他各个总成的载荷,满足了结构轻量化和节能的要求,但其车身的刚 度、模态等静、动态力学性能也需要满足较高的要求。采用有限元方法对车身的结构力学性能进行理论分析在现代车身设计中得到广泛的应用,越来越 受到人们的关注,国内外相关研究已经取得了相当大的成果。 有限元分析计算的结果的可信度的高低,直接受分析模型和与实际工程结构力学特性符合程度的影响。因此,通过样件试验来修正有限元模型,使

其更符合实际结构,是得到高精度模型的一种理想的方法。 本文以某国产轿车白车身为研究对象,将有限元的动态分析与试验数据有机地结合起来,验证白车身有限元模型。以试验结果为依据,运用最优矩 阵修正方法,满足有限元模型计算结果与试验结果相吻合的原则,进行有限元模型修正。 灵敏度分析是进行结构设计和优化的很有效的方法。本文推导了固有频率对壳单元厚度的动态灵敏度分析计算公式,将灵敏度分析方法应用于复杂 、大规模的整车模型分析中,进行了模态和弯曲刚度灵敏度分析,找出对车身刚度影响最大的参数。运用灵敏度分析的结果,选取灵敏部件进行白车身 的优化设计。

10.学位论文 苏文慧 汽车车身设计及其外围流场的数值模拟 2005
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