专利名称：环状路径车身结构设计评估方法
技术领域：
本发明涉及一种车身结构设计评估方法，尤其是涉及汽车工程开发过程中对车身结构设计的评估。
背景技术：
本发明的技术背景是提出一种环状路径车身结构设计理论与方法，即从各主机厂大量车型的车身结构中提取出车身设计的共同特征，吸收各主机厂在车身结构设计上的优秀基因，根据共同特征和被实践证明了的车身设计优秀基因，建立一套统一的车身结构设计理论与方法，以满足更高的碰撞法规要求，并适应车身轻量化设计的要求，为本发明方法的应用提供实施对象和目标，本发明的参考的文献为2002-2010年欧洲白车身会议 (Euro-Car-Body，简称ECB)各主机厂的车身主题报告。毫无疑问，各种安全法规促进了车身结构设计水平的提高，其中NCAP体系由于其更高的碰撞速度对车身结构设计提出了挑战，但随着各主机厂对新材料新工艺的应用、车型平台车身结构设计的不断完善，达到五星标准车型越来越多，NCAP对汽车安全的区分作用越来越弱，因此，提高安全标准是一种潜在的趋势。随着安全法规越来越高，消费者对汽车碰撞安全的考虑成为其购车的一个至关重要的因素，主机厂对车身碰撞安全的考虑从设计、仿真、实验、到生产的各个环节都围绕其作为重点而展开，因此，车身碰撞安全性能开发是汽车研发的核心内容之一。在车身工程设计阶段，车身轻量化设计基本思路是保持现有车身结构设计在碰撞安全性能和刚度性能不变差或变差的程度在可接受范围之内，即“结构帕累托设计原则”， 提出具体的减重目标，对车身结构进行优化设计，此时，碰撞安全性能与刚度性能往往是相冲突的，一方面，与安全相关的结构不一定与刚度相关，与刚度相关的结构不一定与安全相关，由于专业的局限性，工程师更多的是站在自身的专业角度考虑问题，缺乏一个性能平衡的视角，难以提出兼顾的方案；另一方面，传统的车身结构对碰撞安全性能和刚度性能缺乏一种兼顾的设计方法与思路，因此，对轻量化设计中性能冲突问题的思考是提出环状路径车身设计理论与方法的出发点。目前，车身结构设计的挑战在于其目标之间的冲突性——在满足高标准安全法规的要求、具备较好的舒适性和操纵稳定性的前提下，进行车身轻量化设计。在ECB2003中， !7Ord 在其车型新福克斯 C-Max 介绍中提出“The target to develop a stiff and safe body structure for the Focus C-Max (目的是为福克斯C-Max开发出一种具有高刚度和高安全性的车身结构)”；在ECB2008中，HONDA在其车型NewJAU介绍中就白车身性能要求提出三点=Handingand Comfort (操纵稳定性和舒适性)；Safety (安全)；Achievement of Weight Reduction (减重效果)，其中“Handing and Comfort”与 R)rd 所指的“stiff ”，一个是果一个是因，是同一个性能的不同提法，而“Achievement of Weight Reduction”是指轻量化设计，用一个词概括就是“save”，节省质量、节省成本。同时，车身耐久性能作为车身结构设计的一个重要考察点之一，与刚度性能本质上是同一的，车身刚度越好车身耐久性越好，是刚度内涵的一个性能，做一个性能处理。因此，基于此提出车身结构设计的“3S-TSrgetS(3S 目标)”，即“Miff (高刚度)'\"Safe (高安全)","Save (轻量化)”。车身碰撞安全设计理念，简单概括是“压溃吸能、分散载荷”，最早由安全设计的领先者Volvo提出，具体设计要求是“前舱充分压溃吸能、乘员舱保持完整”，已经成为全球各主机厂进行车身碰撞安全结构设计的出发点。按照法规要求，在能量一定的情况下，比如正碰，毫无疑问假人不能吸收能量，车身后部不会吸收能量，乘员舱不能吸收能量，会使假人失去生存空间，显然，只能是前舱吸收能量，问题是如何让前舱吸收更多的碰撞能量，如何尽可能的保护乘员舱的完整性，这是一个“八仙过海各显神通”的问题，具体结构设计上没有谁好谁差的问题，最终由假人给出回答。从历年ECB材料来看，明确提出其车身碰撞安全结构的有Audi、H0NDA、NiSSan，提出安全概念的有Toyota，以下对各主机厂的车身碰撞安全结构和概念做一个简单介绍。在ECB2003中，Audi在其车型A8介绍中，展现了其独有的“Audi Space Frame (Audi空间框架结构，简称ASF)，，车身结构，从其公开的材料分析，ASF实际上是指车身骨架所组成的一个整体框架结构，最显著的特征是:A柱一直延伸至C柱接头，门槛加强板结构横跨前后车门。ASF车身零件个数少，铆接(riveting)方式牢靠，经过不断的改进， 在ECB2010中，全铝车身Audi New A8的扭转刚度达到了 37. 6kN · m/的高水平数值，此车型获得了 2010年的欧洲最佳白车身设计大奖。在ECB2005 中，HONDA 在其车型 New CIVIC 介绍中，提出了 “ACE body structure(Advanced Compatibility Engineering) :Efficient light weight body structure for frontal impact and compatibility ；Purpose of ACE increase self-protection performance and reduce aggressiveness to other vehicle ； Functionality :load dispersion^preventing misalignment with other vehicles side frame>Achieving highly efficient energy absorption，，(ACE 车身结构(高级兼容性工程)对于前碰撞和碰撞兼容性是有效的轻量化车身结构；ACE的目的是增加自身保护性能和降低对其它整车的侵入性；基本功能是分散碰撞载荷、防止车辆之间碰撞不兼容的侧边框架结构、吸收更多的碰撞能量)。HONDA的ACE结构的技术进步在于将前纵梁和上纵梁连接成了一个整体，其实在许多车上都有类似的连接处理，其带来的优点不仅是安全上的，对提高侧向刚度、扭转刚度同样重要。在ECB2006 中，Nissan 在其车型 NOTE 介绍中，提出了 “Advanced Zone Body Concept (高级区域车身概念)”，将前舱作为“Crushable zone (可压溃区域)”，结构设计的重点是“Front absorber energy-Ring (前吸能环)”，充分吸收碰撞能量；将乘员舱作为 "Safety zone (安全区域)”，结构设计的重点是“Front floor-Ring (前底板环)”，保护乘员舱的完整性。“Advanced Zone Body Conc印t”的基本思路是根据碰撞安全设计的理念将车身结构划分为两个不同的区域，并根据其功能的要求制定结构设计对策。在历年ECB 中，根据碰撞的要求对车身结构进行不同区域的划分是比较常见的，如在i^ord车型中划分为三个区域，在AudiA6中划分为五个区域。在ECB2008中，iToyota在其车型NewAVENSIS介绍中，全面介绍了其早已提出的
GOA (Global Outstanding Assessment)概念-“Cars that protect occupants (保护
乘员白勺汽车)，，，包含三个方面"high integrity cabin、effective energy absorption、omni-directional compatibility performance，，(乘员舱高完整性、有效吸收碰撞能量、 全方位的兼容性能)，其目的是“降低乘员所受到的冲击”并“保护乘员舱完整性”，从结构上来说，GOA是陌生的，无法对应其独有的车身结构特征；从概念上来说，GOA是熟悉的，指向了碰撞安全的结构设计理念。但从消费者的角度而言，不会关心结构上具体的东西，而是只关心能不能保护乘员的安全，因此，GOA不是车身结构设计的成功，而是营销概念的成功。“Ring-shaped (环状，简称为‘Ring’)”结构对车身碰撞安全性能的影响长期被各个主机厂所忽视，从碰撞安全的角度提出“Ring”结构设计和材料设计的次数并不多，将历年ECB中与安全相关的环进行了列举在ECB2002中，Ford在其车型Fiesta介绍中从前碰撞角度提出了 "continuous ring around front door opening(绕前|、二开启的连续环)，，； 在ECB2003中，雷诺在其车型SCENIC2介绍中从前碰撞和侧碰撞角度提出“ring side body reinforcement (侧围加强环)”；在ECB2005中，萨博在其车型9_3Sport Combi介绍中从车顶抗压角度提出了 "C-Ring (C柱环)”和“D-Ring (D柱环)”；在ECB2005中，HONDA在其车型 New CIVIC介绍中从前碰撞角度提出了 “consolidatedfront floor frame(坚固的前底板框架结构)”；在ECB2010中，HONDA在其车型CR-Z介绍中从侧碰撞角度标示出了“B-Ring(B 柱环)”。可以说，忽视“Ring”结构特征与碰撞安全的内在联系是产生轻量化设计中碰撞安全性能与刚度性能相冲突的根本原因。汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性、转向灵活性主要取决于车身的整体刚度指标，如扭转刚度、弯曲刚度和侧向刚度，其中扭转刚度起决定性作用，是车身轻量化系数计算中的一个关键参数之一。一般而言，如果车身扭转刚度不足，在底盘冲击载荷作用下，会导致车身扭转变形过大，使得车身倒角处应力集中，降低车身耐久性，产生裂纹，同时，引起各部件之间相互干涉或部件脱裂，产生振动和噪音等一系列问题。在历年的ECB材料中，如何提高车身扭转刚度是其介绍的重点，效果明显的措施可以归为三类车身接头连接改进，特别是D柱接头；增加前减震器座连接横梁或改进为封闭截面连接；构造纵向“Ring”结构，六个纵向“Ring”在各主机厂报告中均被涉及到，特别是Damper-Ring(减震器座环)和D-Ring(D柱环)，水平的“Ring”主要是Hood Opening-Ring(发盖开启环)，可以说，通过“Ring”结构提高扭转刚度的改进方法对环状路径车身的产生提供了现实基础；如何提高车身前结构侧向刚度的介绍在各主机厂报告中较少见，在Nissan车型TEANA和HONDA的ACE结构介绍中提出了提高侧向刚度的有效措施——增加前纵梁和上纵梁的连接结构；如何提高车身弯曲刚度的介绍基本未见，但前后纵梁贯通的设计结构显然有利于提高车身弯曲刚度。在历年的ECB材料中，许多主机厂在其车型介绍中提到形成一个局部的“Ring”结构对提高碰撞安全和扭转刚度有很明显的影响，但主要局限于一种局部结构或局部区域特征，并且零星的分布于车身的各个部位，并没有对“Ring”结构进行系统的阐述，没有意识到 “Ring”结构作为车身结构设计的一种基本构造形式对车身性能和轻量化设计的影响，正是由于各主机厂提出的“Ring”存在的局限性，为环状路径车身的产生提高了空间。据有关数据统计，轿车重量减轻10 %，油耗减少6 % -8 %、加速时间减少8 %、排放量减少10%、制动距离减少5%等等，因此，汽车轻量化对节能、减排、增效具有非常重要的意义，同时，汽车需要满足日益苛刻的整车碰撞安全、环保要求，消费者越来越多的舒适性、 可靠性等要求，给汽车轻量化设计带来了挑战，是各个主机厂需要面对的问题。
钢材是车身结构设计的传统材料，随着碰撞法规要求越来越高，车身重量在不断增加，为了达到汽车轻量化并满足碰撞安全的目的，应对车身新材料的竞争，20世纪90年代，国际钢铁协会开展了超轻钢制车身(Ultra Light Steel Auto Body)ULSAB项目，其内容是通过大量采用高强度钢板，并应用新的成型和焊接工艺，如液压成形、激光拼焊板等技术，使车身减重25%，并使得车身静态扭转刚度、安全星级得到提升。对于传统材料车身，高强度刚应用的比例不断增加，是轻量化设计中普遍采用的方法，即在保证性能的前提下，用强度高重量轻替换强度低重量大的结构件，因此，轻量化设计的重点依然集中在材料上，而不是结构，但在日系车中，高强度材料使用的比例要低， 相比材料轻量化，日系车更注重结构设计轻量化。对于新型材料车身，由于车身金属钣金通过焊点焊接在结构刚度上存在显著的不足，而采用新型材料更适合于车身框架结构的设计，零件个数大量减少，并且铆接 (Riveting)连接更牢靠，有利于提高结构整体刚度，因此，Audi车身轻量化与其说是铝合金应用的结果，不如说是结构设计上的曲线突破，更准确的说是材料与ASF结构共同作用的结果，Lexus LFA碳纤维增强塑料(CFRP)车身更是如此。传统金属框架车身，采用高强度钢新工艺，都是既定的选择，决定车身轻量化的是结构，安全性能主要是结构问题，其次才是材料问题，刚度是完全的结构问题，因此，结构轻量化是根本，材料轻量化是辅助；对于新型材料在车身上的应用，材料轻量化是结构轻量化的前提，或者是结构轻量化不同于传统结构的表现形式，新型材料车身不是单纯的将钢材变成新型材料，而是同时改变了传统的车身结构设计。对车身轻量化设计而言，车身采用什么材料，在于有什么样的材料和工艺去选择，是一个选择问题，而结构在于在设计的过程中需要考虑材料特性对结构设计的影响， 使得结构达到最好的性能目标，是一个创新问题。材料性能的充分发挥依赖于结构设计，如何更大程度上发挥材料性能是车身结构设计的重要内容之一，因此，环状路径车身 (Ring-shaped RouteBody)是一种针对传统车身材料的既定选择，能够充分发挥材料性能并达到最优性能目标的、创新的车身结构设计方法。ECB 给出了 "iTotal weight body-in-white” 定义为 “Defined as Total weight body-in-white of the car body including doors and closures,as well as all parts that are fitted in the body shop, excluding paint·，，，本发明中白车身是指"Total weight body-in-white without doors, closures and fenders (不包含车门、开启件禾口翼子板的全重白车身)”，剔除白车身所采用的低强度材料的覆盖件，如底板、顶盖、侦_外板、 轮罩等所剩下的结构称之为车身骨架。环状路径车身在内容上涵盖了结构特征(Ring)、实质性要求(Route)和性能目标 (Resist)三个方面，根据其内容的首写字母，进一步提炼出“3R-B0DY”的概念，即“环状路径车身”的英文简写形式。环状路径车身实际上是指车身骨架，“Ring”和“Route”是基于车身骨架结构概念，“Resist”是环状路径车身所能到达的效果。“Ring”结构特征是以车身骨架任意接头为起点，沿着某一较短路径回到起点，形成一个个“Ring-amped”结构，环可以是平面的或空间的，可以是圆的或是方的等，关键是构成一个封闭回路。如果“Ring”在形式上满足，但剔除车身骨架中“Ring”上没有形成封闭截面且采用低强度材料厚度小于或等于Imm的结构件，从而不能形成封闭回路，则不构成“Ring”结构特征；如果在一个环内又分成若干环状区域或者环的一条边演化成平行的两天边形成立体的框架结构，两种形式从效果上与原来的“Ring”是等效的，同样将其看成一个环状结构。从结构设计角度，空间框架结构具有非常好的整体刚度和变形协调能力，实现“局部受力全身分担”的目的，“Ring”结构是构成空间框架结构的理想特征，实现载荷的快速分流，特别是流线型的车身造型设计更加有利于“Ring”结构特征的表达。“Route”是指在由钣金焊接构成的每个封闭“Ring”结构上的任意位置都具有一定的封闭或半封闭截面，避免截面突变或刚度局部过弱，特别在设计的时候需要充分考虑 “Ring”的边与边连接处，在载荷传递方向上，尽可能的保证截面完全对接或至少部分对接。“Route”是在“Ring”满足封闭回路条件下的实质性要求——截面封闭性或半封闭性，即保证刚度的连续性，不满足实质性要求则不属于车身的“Ring”体系。根据“Route” 实质性要求，与碰撞相关的“Ring”原则上截面要求是封闭的，且封闭截面尽可能大；与刚度相关的“Ring”截面可以是半封闭的，但在白车身中会与剔除的零件一起构成了封闭的截面，采用一般强度材料即可。如果车身骨架具有尽可能多的“Ring”结构特征，且每个“Ring”满足“Route”实质性要求，即保证白车身具有了理想的空间框架结构，根据性能目标采用适当的材料设计， 则白车身结构将会具有理想的车身抗扭、抗弯、抗压、抗变形能力，即“Resist”性能目标。与其说，“Ring”满足了空间框架的结构特征，"Route"提出了 “Ring”结构特征的实质性要求，不如说“Ring”和“Route”是环状路径车身的设计依据，即环状路径车身是基于对最基本的、被广泛认可的认识出发，并基于以下两点提出的一种车身结构设计理论与方法。第一，针对传统车身材料，3R-B0DY通过“Ring”结构特征构筑了一个有效的空间框架结构，实现载荷迅速传递与分散，保证乘员舱生存空间的完整性；新材料车身则通过提高零部件的整体性和新连接工艺构筑一个空间框架结构。新材料在构筑空间框架结构方面具有明显的优势，车身零部件数量相比传统材料明显减少，连接方式更为有效，如Lexus LFA的CFRP材料车身，无需通过“Ring”便可直接形成有效的空间框架结构，而对于传统材料“Ring”是形成空间框架结构不可绕开的理想结构特征，如V0LV0车身结构设计由“Ring” 构成的空间框架结构则非常明显。第二，根据“短板理论”，由许多块木板箍成的木桶，其盛水量是由其中最短一块木板决定的，大量的工程经验表明车身结构设计符合“短板理论”，结构整体刚度由“Route”上最弱刚度决定的或至少是重要影响因素之一，按照“短板理论”，提高非薄弱处的刚度不会有效增加整体刚度或者说适当减少非薄弱处的刚度不会显著影响结构整体刚度，因此，最有效的方法是抓住“短板”，以最小的代价获取最大性能的提升，为3R-B0DY轻量化设计提供依据。因此，“Ring”和“Route”在构成3R-B0DY结构设计要素的同时，也是3R-B0DY结构设计的基本依据。车身安全性能和刚度性能设计的关键是车身骨架设计，而车身骨架设计的关键在于是否能形成一个整体的车身框架结构，3R-B0DY采用“Ring”作为车身框架结构设计基本元素，将车身骨架看成是由一个个“Ring”组成的框架结构，从而达到实现车身结构性能设计的目标，因此，3R-B0DY结构设计实际上是“Ring”结构设计，下面对涉及的十六个“Ring”
分别一一介绍。根据整车坐标系分别定义三个平面垂直于X轴的X-Surface、垂直于Y轴的 Y-Surface、垂直于Z轴的Z-Surface，将构成车身骨架的“Ring”向三个平面中与其最接近平行的面进行投影，从而将“Ring”分为三大类垂直于X轴的“Ring”、垂直于Y轴的 “Ring”、垂直于Z轴的“Ring”，以下对“Ring”分别从组成、材料(材料强度等级标准采用 VOLVO材料等级划分标准)、功用三个方面进行介绍。向垂直于X轴的X-Surface平面上投影，形成的环状结构，从车身前部至后部，分别命名为Front-Ring (头环)、A-Ring (A 柱环)、B-Ring、C-Ring, Damper-Ring、D-Ring 六个 “Ring，，。1、Front-Ring 由水箱上横梁、前环左连接支架、水箱下横梁、前环右连接支架依次连接而成，对于封闭式副车架，水箱下横梁则由福车技前横梁代替。Front ring对提高前碰撞性能、扭转刚度和进一步改善车身前部侧向刚度具有一定影响(Less Important)，由于Front ring主要作用是提高车身侧向刚度，对碰撞性能的影响较小，因此，对其材料要求比较低，采用Mild Steel (MS，普通钢)即可。2、A-Ring:由左边A柱接头、风挡下横梁、右边A柱接头、右边铰链柱、中通道横梁、 左边铰链柱依次连接组合而成，在Subaru(斯巴鲁)的The Ring-Shaped Reinforcement Frame body structure (环状增强框架车身结构)中对A-Ring的描述是“The A-piliars and the front firewall structure make up one ring(左右 A 柱禾口前挡板结构组成了一个环)”。对于大多数车型设计来说，A-Ring基本上是存在的，此环是与前碰撞安全及其性能评估非常重要(Very Important)的一个“Ring”，A柱接头的连接、铰链柱和中通道横梁结构设计和材料强度设计对前碰撞来说都非常重要，一般需要采用very high strength steel (VHSS，较高强度钢)和high strength steel (HSS，高强度钢)，A-Ring的设计对传递和分散侧碰撞载荷具有一定的作用，对提高扭转刚度具有非常重要(Very Important)的作用。3、B-Ring 由左边B柱接头、顶盖中部横梁、右边B柱接头、右边B柱、座椅后横梁、左边 B 柱依次连接而成，在 Subaru 的 The Ring-Shaped Reinforcement Frame body structure 中对 B-Ring 演化形式的描述是"Both B-piliars along with two structural frame members in the floorboard and two specially shaped structural members running across the roof area make up the center ring(左右 B 柱、底板横梁、顶H横梁组成了中间环)”。对于车身结构设计来说，B-Ring是必不可少的，否者会造成严重的设计缺陷，此环是与侧碰撞安全及其性能评估、车顶抗压至关重要(Essential Important)的一个“Ring”，对前碰撞有一定影响(Less Important),B-joint的链接、B-pillar结构设计和材料强度对前碰撞来说都至关重要，B-pillar加强结构、顶盖中部横梁材料一般需要采用ultra high strength steel (UHSS，特高强度钢)，座椅后横梁材料一般需要采用VHSS， B-Ring接头连接对提高扭转刚度具有非常重要(Very Important)的作用。4、C-Ring 由左边C柱接头、顶盖横梁、右边C柱接头、右边C柱、前底板后横梁、左边 C 柱依次连接而成，在 Subaru 的 The Ring-Shaped Reinforcement Frame body structure 中对 C-Ring 的描述是"The third ring is formed by the C-piliars anda strengthened lower rocker sill area(第三个环由左右C柱和增强的下门槛区域构成)”，此环对侧碰撞安全、车顶抗压、后碰有一定影响(Less Important)，对提高扭转刚度具有非常重要(Very Important)的作用，因此，C柱接头的链接十分重要。由于与安全性能的相关性不如B-Ring，C-Ring加强结构材料一般采用HSS即可能够满足碰撞要求。5、Damper-Ring 由左边减震器座支架、顶盖横梁或包裹架横梁、右边减震器座支架、后底板横梁依次连接而成，由于此环对提高车身扭转刚度具有非常重要(Very Important)的作用，目前，许多车型为提高扭转刚度大多采用了 Damper-Ring设计，同时， 由于此环功能的单一性，Damper-Ring加强结构材料一般采用MS即可。6、D-Ring:由左边D柱接头、顶盖后横梁、右边D柱接头、右边D柱、后备箱横梁、左边D柱依次连接而成，是与开启件相关的六个“Ring”之一，也称之为Tailgate 0pening-Ring(后备箱开启环)，由于此环对提高车身扭转刚度具有非常重要(Very Important)的作用，其中D柱接头十分重要，目前，许多车型为提高扭转刚度大多采用了 D-Ring设计，同时，D-Ring对车顶抗压、后碰性能有一定影响(Less Important)，一般 D-Ring加强结构材料采用HSS。向垂直于Y轴的X-Surface平面上投影，对于车身的一侧形成的环状结构，分别名为:Front Door Opening-Ring(前门开启环)、Rear Door Opening-Ring(后门开启环)两个“Ring”，由于对称性，左右各两个。7、Front Door Opening-Ring 由A柱接头、A柱、B柱接头、B柱、前门槛加强板、 铰链柱加强结构依次连接而成，对于车身结构设计来说，Front Door Opening-Ring是必不可少的，否者会造成严重设计缺陷，此环对前碰撞是至关重要(Essential Important)的， 对侧碰撞安全及其性能评估、车顶抗压非常重要(Very Important)，是影响开启性能的六个“Ring”之一，其A柱后移量直接关系乘员舱完整性的评价，要避免设计上的缺陷，A柱接头、B柱接头的连接、环各边的结构设计和材料强度至关重要，A柱、B柱加强结构材料一般需要采用UHSS，前门槛加强板、铰链柱加强结构材料一般需要采用extra high strength steel (EHSS，超高强度钢)，Front Door Opening-Ring对扭转刚度有一定影响(Less Important)。8、Rear Door Opening-Ring 由B柱接头、顶盖边梁、C柱接头、C柱、门槛后加强板、B柱依次连接而成，此环对于侧碰撞安全及其性能评估、车顶抗压来说是一个非常重要 (Very Important)的“Ring”，是影响门的开启性能的六个“Ring”之一，B柱接头、C柱接头的连接、环各边的结构设计和材料强度非常重要，B柱加强结构材料一般需要采用UHSS，顶盖边梁、门槛后加强板材料一般需要采用EHSS或VHSS，Rear Door Opening-Ring对扭转刚度、后碰均有一定影响(Less Important)。向垂直于Z轴的X-Surface平面上投影，对于车身的下部，从前向后形成的环状结构，分另1J名为Front absorber energy-Ring (前吸能环)、Front floor-Ring (前底板环)、 Fuel Tank-Ring(燃油箱环)、Rear absorber energy-Ring(后吸能环)共四个"Ring，，。9、Front absorber energy-Ring :由左前纵梁、左吸能盒、前保险杆横梁、右吸能盒、右前纵梁、前挡板横梁依次连接而成，此环对于前碰撞性能提升具有至关重要 (EssentialImportant)的作用，环各边的结构设计和材料强度非常重要，前纵梁、吸能盒结构材料一般需要采用VHSS吸收碰撞能量，前保险杆横梁结构材料一般采用UHSS，保证不发生严重的弯曲变形将左侧载荷传递至右侧，前挡板横梁结构材料一般采用VHSS，维持前纵梁压溃变形的稳定性，减少前挡板侵入量，同时，Front absorber energy-Ring对提高扭转刚度、弯曲刚度具有一定影响(Less Important)。10、Front floor-Ring 由中通道横梁、右边门槛加强结构、前底板后横梁、左边门槛加强结构依次连接形成一个方形的框架结构，再由若干条前底板下纵梁、座椅前后横梁将“Ring”区域划分为形式上若干方形小区域，至少从形式上构成一个整体性的框架结构。 Front floor-Ring是必不可少的，否者会造成严重的设计缺陷，对于前碰撞是一个至关重要(Essential Important)的“Ring”，直接关系乘员舱的生存空间，是不可变形区域，对侧碰撞安全来说非常重要(Very Important)，对后碰有一定影响(Less Important)，梁与梁的连接、环各边的结构设计和材料强度非常重要，门槛加强板结构材料一般需要采用EHSS， 前底板下纵梁结构材料一般需要采用EHSS或VHSS，座椅前后横梁材料一般需要采用HSS， Front floor-Ring对弯曲刚度有非常重要(Very Important)的影响。IUFuel Tank-Ring 由前底板后横梁、右门槛加强板、后底板横梁、左门槛加强板依次连接而成，此环对于后碰撞安全及其性能评估来说是一个非常重要(Very Important) 的“Ring”，横梁结构设计和材料强度非常重要，横梁加强结构材料一般需要采用VHSS，Fuel Tank-Ring对扭转刚度、弯曲刚度、侧碰撞均有一定影响(Less Important)。12、Rear absorber energy-Ring :由后底板横梁、右后纵梁、右吸能盒、后保险杆横梁、左吸能盒、左后纵梁依次连接而成，与Front absorber energy-Ring设计目的是一样的，充分吸收碰撞能量，此环对于后碰撞性能提升具有至关重要(Essential Important) 的作用，环各边的结构设计和材料强度非常重要，后纵梁、吸能盒材料一般需要采用VHSS 吸收碰撞能量，后保险杆横梁材料一般采用EHSS，保证不发生严重的弯曲变形将左侧载荷传递至右侧，维持后纵梁压溃变形的稳定性，后底板横梁材料一般采用VHSS，同时，Rear absorber energy-Ring对提高扭转刚度和弯曲刚度具有一定影响(Less Important)。向垂直于Z轴的X-Surface平面上投影，对于车身的上部，从前向后形成的环状结构，分别名为=Hood Opening-Ring (发盖开启环)、Shotgun-Ring (上纵梁环)、Windshied Opening-Ring (前风挡开启环)、Roof-Ring (顶盖环)共四个“Ring，，。13、Hood Opening-Ring:由水箱上横梁、发盖开启环右支架、右上纵梁、右A柱接头、前风挡下横梁、左A柱接头、左上纵梁、发盖开启环左支架依次连接而成，是一个较为普遍存在的“Ring”，是影响开启性能的六个“Ring”之一，发盖开启环支架是设计此环的关键特征，要求采用封闭的截面连接。此环对前碰撞中提升上纵梁变形的稳定性有一定影响(Less Important)，此环连接处结构设计十分重要，对扭转刚度有非常重要(Very Important)的影响，对侧向刚度有一定影响(Less Important)，由于碰撞安全相关性不高， 环各边结构材料采用HSS和MS即可。14、Siotgim-Ring 由上纵梁环支架、前纵梁、A柱接头、上纵梁依次连接而成，是一个较为普遍存在的“Ring”，上纵梁环支架是设计此环的关键特征，要求采用封闭的截面， 连接前纵梁和上纵梁。此环对前碰撞中提高压溃变形稳定性、提前分散碰撞载荷，提高扭转刚度和侧向刚度均有一定影响(Less Important)，同时，对提高安全气囊激发加速度、低速碰撞减少前纵梁变形具有重要作用，上纵梁环支架结构材料采用HSS即可。15、Windshied Opening-Ring 由左A柱接头、前风挡下横梁、右A柱接头、右A柱、顶盖前横梁、左A柱依次连接而成，是一个较为普遍存在的“Ring”，前风挡下横梁是设计此环的关键特征，从车身带前挡风玻璃和不带前挡风玻璃的扭转刚度结果对比中， Windshied Opening-Ring对扭转刚度有一定影响(Less Important)，在天窗版的车顶抗压中，Windshied Opening-Ring具有积极作用(Less Important)，结构材料采用HSS或更高强度。16、Roof-Ring 由顶盖前横梁、顶盖中横梁、顶盖后横梁、顶盖左边梁、顶盖右边梁连接成“日，，字型或“目，，字型顶盖框结构，是一个较为普遍存在的“Ring”，其结构、材料设计实际上已经包含于其它“Ring”中，但敞篷车车身结构设计难度充分说明了 Roof-Ring作用的重要性。与环状路径车身从概念上最为接近的车身结构是=Subaru从车身碰撞安全的角
度提出的"The Ring-Shaped Reinforcement Frame body structure-Essentially, the
Ring Frame Reinforced structure forms a series of rings around the passenger compartment, providing excellent protection in a variety ofcollision types (环状加强框架车身结构实际上是由围绕乘员舱的一系列环构成，从而提供全方位的出色保护)”，从以上对“Ring”的分类介绍中可以看成，环状路径车身所包含的设计要求、结构性能范围要远高于后者。与环状路径车身从结构上最为相似的车身结构是Audi的ASF框架车身结构，两者的目的都是要构造一个框架车身结构，但由于两者车身材料的不同，前者针对传统材料， 通过“Ring”构造一个整体框架结构，而后者针对铝合金材料，通过创新的连接方式构造一个具有高刚性的整体框架结构，正是由于材料的区别，在具体的车身结构设计、制造方法产生了较大的差别。在车身概念设计阶段，3R-B0DY将结构碰撞安全性能与结构NVH性能在结构设计上实现了统一，化解了两种性能在工程设计阶段可能产生的冲突，避免大的设计变更，为车身结构设计进行正向开发提供了方法论，从而为实现车身设计的“3S”目标奠定了基础，其创新体现在以下三个方面一是，理论创新3R_B0DY结构设计理论与方法建立了一个从设计概念、设计原理、设计方法到效果评估(本发明的评估方法)的完整体系，其理论创新主要体现在两个方面一是，将传统车身轻量化设计中局部相冲突的碰过安全性能与刚度性能融合到车身 “Ring”结构设计的共同特征当中，提出了兼顾两者统一性联系的结构设计方法；二是，将车身结构设计与材料设计融合到“Ring”结构设计特征当中，提高了对两者相互关系的认识， 以及两者在轻量化设计中的地位和作用，3R-B0DY结构设计理论与方法为车身工程设计建立了清晰的指导与设计思路。二是，技术创新3R_B0DY结构设计理论与方法提炼和吸收了各主机厂在车身结构轻量化设计中的各自优秀的基因，是对已有设计方法的系统归纳与总结，其技术创新主要体现在两个方面一是，将“Ring”提炼为基础的结构设计特征，针对车身骨架建立了系统的“Ring”体系，明确指出了“Ring”结构的设计要求，在把握重点环设计的基础上根据轻量化的需要设计更多的环结构；二是，基于环状结构设计，建立了独立并超前于仿真和实验的对车身工程设计效果进行评估的结构评估方法体系，节约了开发时间，因此，3R-B0DY结构设计理论与方法技术创新的亮点在于设计明确化和评估可执行化，对工程设计阶段具有重要的实践指导意义。三是，营销创新3R_B0DY结构设计理论与方法总结和提炼了长期以来车身工程设计的“Safe、Miff、&iVe”m“3S” 目标，针对此目标提出了“Ring、R0ute、Resist” 的“3R，， 结构，与“3S”相对应，“3S”目标和“3R”结构在安全概念上直观易懂、在安全结构上一目了然，3R-B0DY本身具有了统一的双层身份一安全概念和安全形象，因此，在“安全理念”越来越深入的今天，消费者偏向于接受安全概念，而不是安全结构，但安全理念的接受效果很大程度上依赖于具体的安全结构上，此结构形象要易于让消费者形成一种较为具体的影响， 因此，在营销上将3R-B0DY作为在被动安全领域的一种创新设计理念与汽车产品的具体结构结合起来宣传，易于被消费者接受，加深消费者对产品的安全认识，可以说，3R-B0DY的营销创新在于其本身是一种形象化了的、有血有肉的碰撞安全设计理念。
发明内容
1、本发明所要解决的技术问题针对现有技术中的不足，本发明所要解决的技术问题是在传统的车身结构工程开发中，对结构性能的评估方法主要依赖于仿真和实验，是一种间接的验证方法，对于仿真，需要建立汽车有限元模型进行大量计算；对于实验，需要试制样车进行反复实验，如果车身结构设计存在较大的缺陷，那么在设计与仿真、实验验证之间将是一个不断反复的过程。本发明为了解决上述车身工程开发中的技术问题，减少开发周期，降低开发成本， 提出一种针对车身结构设计本身的、超前并独立于仿真和实验的、直接的评估方法，以减少设计缺陷的发生。2、本发明的技术方案为了达到实现本发明所要解决的技术问题的目的，本发明提出了一种环状路径车身结构设计评估方法，其步骤包括第一步，利用国内外车身结构设计工程开发的经验和教训，对车身结构设计进行 “Ring材料理想强度等级与结构性能评估”，确定车身结构每个Ring的材料理想强度等级， 使用“+”或者其它符号及其个数表示材料强度等级，“+”个数即得分数，“_”为零分，以及对每个Ring在不同结构性能下的重要性进行评估，同样，使用“+”及其个数表示重要程度， “+”个数即得分数，“_”为零分，并计算结构性能求和分数；第二步，针对具体的车身结构，对其每个Ring进行“Ring结构特征与实质性要求评估”，“ 1，，表示Ring满足评估要求，“0”表示Ring不满足评估要求；第三步，针对具体的车身结构，对其每个Ring进行“Ring材料实际强度等级评估”，参照第一步中涉及的材料强度等级标准，判断车身结构每个Ring所采用的材料实际强度等级，给出每个Ring的实际“+”个数，即得分数；第四步，根据前三步中“Ring材料理想强度等级与结构性能评估”、“Ring结构特征与实质性要求评估”和“Ring材料实际强度等级评估”的评估结果，计算车身结构的 "Ring综合评估”分数，又包含以下三个步骤a、将第二步中每个Ring的结构特征与实质性要求评估结果分别乘以第一步中对应Ring的结构性能评估求和分数，得到每个Ring的结构性能评估分数，将车身结构所有Ring的结构性能评估分数相加，得到车身结构的“Ring结构性能总评估分数”；b、将第二步中每个Ring的结构特征与实质性要求评估结果分别乘以第三步中对应Ring的材料实际强度等级评估分数，得到每个Ring的材料实际强度等级评估分数，将车身结构所有Ring的材料实际强度等级评估分数相加，得到车身结构的“Ring材料实际强度等级总评估分数”；C、将“Ring结构性能总评估分数”和“Ring材料实际强度等级总评估分数”相加， 得到车身结构的“Ring综合评估分数”。所述的环状路径车身结构设计评估方法第一步中“Ring材料理想强度等级与结构性能评估”，其特征在于对车身结构的每个Ring采用表1所示的评估结果。表IRing材料理想强度等级与结构性能评估
权利要求
1.一种环状路径车身结构设计评估方法，其步骤包括第一步，利用国内外车身结构设计工程开发的经验和教训，对车身结构设计进行“Ring 材料理想强度等级与结构性能评估”，确定车身结构每个Ring的材料理想强度等级，使用 “+”或者其它符号及其个数表示材料强度等级，“+”个数即得分数，“_”为零分，以及对每个 Ring在不同结构性能下的重要性进行评估，同样，使用“+”及其个数表示重要程度，“+”个数即得分数，“_”为零分，并计算结构性能求和分数；第二步，针对具体的车身结构，对其每个Ring进行“Ring结构特征与实质性要求评估”，“ 1，，表示Ring满足评估要求，“0”表示Ring不满足评估要求；第三步，针对具体的车身结构，对其每个Ring进行“Ring材料实际强度等级评估”，参照第一步中涉及的材料强度等级标准，判断车身结构每个Ring所采用的材料实际强度等级，给出每个Ring的实际“+”个数，即得分数；第四步，根据前三步中“Ring材料理想强度等级与结构性能评估”、“Ring结构特征与实质性要求评估”和“Ring材料实际强度等级评估”的评估结果，计算车身结构的“Ring综合评估”分数，又包含以下三个步骤a、将第二步中每个Ring的结构特征与实质性要求评估结果分别乘以第一步中对应 Ring的结构性能评估求和分数，得到每个Ring的结构性能评估分数，将车身结构所有Ring 的结构性能评估分数相加，得到车身结构的“Ring结构性能总评估分数”；b、将第二步中每个Ring的结构特征与实质性要求评估结果分别乘以第三步中对应 Ring的材料实际强度等级评估分数，得到每个Ring的材料实际强度等级评估分数，将车身结构所有Ring的材料实际强度等级评估分数相加，得到车身结构的“Ring材料实际强度等级总评估分数”；C、将“Ring结构性能总评估分数”和“Ring材料实际强度等级总评估分数”相加，得到车身结构的“Ring综合评估分数”。
2.根据权利要求1所述的“Ring材料理想强度等级与结构性能评估”，其特征在于对车身结构的每个Ring采用表1所示的评估结果。表IRing材料理想强度等级与结构性能评估
3.根据权利要求1所述的车身骨架“Ring综合评估分数”计算，其特征在于车身结构具有所有的Ring，且满足“Ring结构特征与实质性要求评估”，且每个Ring采用的材料是理想强度等级，得到车身结构的“Ring理想综合评估分数”是100分，如表2所示。 表2Ring理想综合评估分数
全文摘要
本发明公开了一种环状路径车身结构设计评估方法，包括四个基本步骤“Ring材料理想强度等级与结构性能评估”、“Ring结构特征与实质性要求评估”、“Ring材料实际强度等级评估”和“Ring综合评估”，本发明的评估方法是独立并超前于仿真和实验的、直接的评估方法，能够减少设计缺陷的发生和不必要的设计与验证之间的反复，降低开发成本、缩短设计周期，同时，也是一种针对车身结构工程设计提出的具有普适性的评估方法，同样适合非环状路径车身结构设计的评估，因此，本发明的环状路径车身结构设计评估方法对车身结构设计具有重要的理论与实践意义。
文档编号B62D65/00GK102372043SQ20111022329
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月5日 优先权日2011年8月5日
发明者肖锋 申请人:肖锋