緒論1.1研究背景和意義十八大以來，我國主要矛盾發(fā)生了變化，汽車不再僅僅是一個代步工具，人們對于汽車的多樣化需求日益增加。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示[1]到去年年底，中國的私家車保有量已經(jīng)突破了兩億大關(guān)，而且現(xiàn)在的年輕人也逐漸向環(huán)保方向靠攏，新能源汽車連續(xù)兩年增長量突破100萬，全國的新能源汽車已經(jīng)接近400萬輛，可以說，新能源汽車已經(jīng)是一個朝陽產(chǎn)業(yè)，特別是電動汽車更是如火如荼地興起中。但是新能源汽車，特別是電動汽車，與傳統(tǒng)汽車有很大的不同，儲能裝備也由汽油轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵匕怯捎谀壳翱萍及l(fā)展有限，而且電動汽車的電池包所需的安全保護要大于普通汽車，保護設(shè)施不合理的話很容易不達標甚至引發(fā)相關(guān)事故，更有甚者會導(dǎo)致電池包自燃爆炸等[2,3]，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，電動汽車側(cè)面碰撞事故頻繁發(fā)生，比普通汽車的側(cè)面碰撞事故要多得多。汽車所有類型的碰撞事故成本比較詳見圖1.1，可以看出側(cè)面碰撞的成本約為全部總成本的40%。圖1.1不同碰撞事故損傷成本比較電動汽車對于其儲能裝備的主要保護部件要求很高，這是由于在撞擊過程中，汽車首先遭受撞擊的是車身部件，車身的側(cè)圍結(jié)構(gòu)會首當其沖遭受外部力量從而受到最大打擊而變形。截止到2020年年底，由于大部分汽車都是以汽油為動力，而石油是不可再生資源不符合長期發(fā)展理念且燃燒會帶來巨大環(huán)境污染，不符合綠色環(huán)保理念，所以改變汽車動力迫在眉睫，必須疏堵結(jié)合，優(yōu)化設(shè)計一方面降低了整車能耗，另一方面采用了新型復(fù)合材料。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，運行中的汽車的質(zhì)量與燃油效率的減少量之比為1.5：1左右，此外，燃油消耗可降低百分之7左右[4]。雖然電動汽車的動力來自電能，復(fù)合循環(huán)發(fā)展理念，但是目前來看我國的電u能都是燒煤碳得來，本質(zhì)上還是在消耗不可再生資源，所以并沒有真正意義上做到綠色環(huán)保，所以降低電動汽車的質(zhì)量無論對于汽車使用者續(xù)航還是對于節(jié)能減排都是非常有必要的。無論從哪個層面看，電動汽車側(cè)圍的改良對于電動汽車未來發(fā)展是不得不攻克的一道難關(guān)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀早在上世紀七十年代，一些國外的學者就意識到車輛側(cè)圍對于發(fā)生碰撞時的安全性有著重要意義。于是乎，許多學者開始對側(cè)面碰撞安全性進行研究。在初始階段，由于缺乏研究經(jīng)驗，所以進行研究耗時比較長，難以重復(fù)進行的方式進行設(shè)計實驗。通常情況下，首先需要做車輛側(cè)面碰撞的實驗，實驗方式雖然簡單，但是每一次做實驗都需要大量的碰撞數(shù)據(jù)，因此需要極高的經(jīng)費，這就為研究帶來很大的麻煩；隨后根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對車體進行改進，保證駕駛安全性，進而確保乘客以及駕駛員的生命安全。這種實驗方法由于許多因素的限制，很難推廣使用。時間向后推進，人們對于計算機技術(shù)的掌握逐漸成熟，隨著仿真模擬技術(shù)的迅速發(fā)展，使用有限元分析方法對車輛側(cè)圍發(fā)生碰撞時的受力。所謂有限元分析方法，核心理論思想主要包括兩個方面。其一為，有限元的思想與“以直代曲”求圓周長相同，即把連續(xù)的介質(zhì)離散為數(shù)量很多的小的立體幾何單元體，每個單元體可以獨立研究，但相鄰的單元體間又有確定的關(guān)系，各個單元體的結(jié)果共通構(gòu)建剛度矩陣；其二是求近似解人們通過虛功原理，即變分的方法將對原函數(shù)的連續(xù)要求弱化，進而轉(zhuǎn)變?yōu)榉e分形式的弱連續(xù)要求?；陔x散化的小區(qū)域的微分方程近似解，以及各相鄰小區(qū)域節(jié)點的關(guān)系方程，可以得到整個區(qū)域的近似解。RedhleM.等[5]應(yīng)用此技術(shù)完成不同移動變形壁障對汽車性能的影響。Marklund等[6]、Pan等[7]都對B柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化發(fā)展做出了貢獻。在上個世紀末，同樣有一些學者將目光聚焦在側(cè)圍總質(zhì)量上，如果整車的質(zhì)量較小，可以有效提升電機的使用壽命。也正因如此，“新時代汽車合作伙伴(PNGV)”選用一些密度較低的金屬合金（如鎂鋁合金等）來達到降低質(zhì)量的目的。此外，由于車輛側(cè)圍受到撞擊時，可能會產(chǎn)生彎曲變形，車輛側(cè)圍可能會凹進去，于是乎，汽車外板材料的抗凹變形能力需要被重視。D.C.Seksaria[9]等人正是為這種性能提供了評價方法。KinPongLam[10]進行了碰撞試驗材質(zhì)對于結(jié)構(gòu)以及厚度的影響。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國重工業(yè)的起步較晚，雖然近年來發(fā)展趨勢較為猛烈，但是與發(fā)達國家還是存在一定的差距，特別是在核心技術(shù)方面。但是隨著國內(nèi)學者的不斷努力，這些差距在慢慢變小。對于汽車碰撞安全性、NVH性能和輕量化等方面，我國還需進行進一步的研究，并逐漸與發(fā)達國家齊平甚至趕超。側(cè)面碰撞安全性方面，國內(nèi)的研究起步較晚，直到二十世紀八十年代末，我國國內(nèi)才有第一個試驗臺，我國的相關(guān)研究正式走向正軌。近年來全國各大高校開展了汽車碰撞試驗研究，段大祿等人[12]基于OptiStruct對車側(cè)圍耐撞性進行了研究。1.3本文主要研究內(nèi)容筆者采用以小見大的方式，以奇瑞汽車創(chuàng)新研發(fā)的“小螞蟻電動車”為參考對象進行研究。下面是對于每章具體內(nèi)容的概括：介紹了本篇文章的研究可行性與研究目的，筆者查找了大量資料總結(jié)出全球研究者對于側(cè)圍的各方面研究并展開論述。本章主要對側(cè)圍的概念以及意義進行論述，向大家展示了側(cè)圍對于汽車安全保障方面的重要作用。本章主要對新型復(fù)合材料制作而成的側(cè)圍利用CATIA軟件進行建模與設(shè)計，并對電動汽車后側(cè)圍進行三維設(shè)計與講解。本章總結(jié)了前幾章的內(nèi)容，對于側(cè)圍工程圖紙進行詳細設(shè)計。

2側(cè)圍結(jié)構(gòu)與設(shè)計要求在車輛的上車體中，汽車側(cè)圍是最為核心的組成成分，汽車側(cè)圍本身結(jié)構(gòu)也極為復(fù)雜，組成汽車側(cè)圍的零件數(shù)量極為之多，如空調(diào)電子、內(nèi)外飾等都安裝在其中。在車輛受到正面沖撞時，不僅僅汽車前面會受到?jīng)_擊力，汽車側(cè)圍也會受到極大的彎矩而發(fā)生彎曲變形，給汽車中的人帶來極大的安全隱患。因此需要對側(cè)圍子系統(tǒng)進行設(shè)計計算，保證其剛度以及緩沖撞擊，吸收沖撞能量的能力。2.1側(cè)圍系統(tǒng)的類型及結(jié)構(gòu)目前國際上常見的外圍系統(tǒng)型式為層疊式，另外由于加工過程中前后的加工方法的差異，側(cè)圍系統(tǒng)的類型還有模塊式，不過這種類型側(cè)圍的強度較差、加工安裝較為復(fù)雜，所以目前應(yīng)用已經(jīng)很少。故此次設(shè)計不再詳述，值研究層疊式側(cè)圍。圖2.1為層疊式側(cè)圍系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。側(cè)圍內(nèi)板系統(tǒng)的組成部分有：側(cè)圍內(nèi)板總成、B柱內(nèi)板總成以及頂蓋側(cè)邊梁內(nèi)板總成；側(cè)圍加強板系統(tǒng)的組成部分有：門檻外板總成、前門鉸鏈加強板總成、頂蓋側(cè)邊梁加強板總成以及B柱加強板總成等；側(cè)圍外板系統(tǒng)的組成部分有：翼子板支架總成、側(cè)圍外板、尾燈板等總成以及鎖扣加強板總成等。2.2側(cè)圍造型側(cè)圍的造型設(shè)計，關(guān)乎的是整車的外形、汽車內(nèi)部空間以及結(jié)構(gòu)強度，在車身設(shè)計中十分關(guān)鍵。一般在其設(shè)計時需要考慮加工制造的工藝性、車身的強度要求以及材料特性。在四門三廂車上，側(cè)圍的前支柱（A柱）、后支柱（C柱）和頂蓋側(cè)梁承擔著安裝前后擋風玻璃的作用；另外側(cè)圍還包括中支柱（B柱）、門檻和頂蓋側(cè)梁，它們焊接成整體，共同起著安裝車門、連接前后車身和支撐頂蓋的作用。其中僅對于A柱來說，它起著安裝門和前擋風玻璃的作用，在結(jié)構(gòu)上其可細分為前側(cè)擋板、前門支柱和前風窗支柱。設(shè)計A柱需要滿足以下要求：1.要有限位器加強板；2.支柱內(nèi)板整體要平滑，端部圓滑，防止刺傷；3.A柱的結(jié)構(gòu)需要滿足強度要求，并且與車身前部其他部分的連接、裝配和定位要合理且沖擊變形要盡量??；4.為了安裝前擋風玻璃，應(yīng)正確規(guī)劃其固定位置；5.需要保證車門開關(guān)順暢，關(guān)門時密閉性好；6.設(shè)計車門裝配裝置；7.對駕駛員的視野遮擋要小，不能影響駕駛員觀察周圍環(huán)境。B柱的設(shè)計要求是必須保證其剛度和強度，這是因為其起著安裝前排安全帶支座的作用，而且還要承載頂部的重量。它的組成部分有加強板、內(nèi)外板。C柱同樣對剛度和強度有加高要求，這是由于其連接固定車身后部，還起著安裝后排安全帶和擋風玻璃的作用，另外頂部重量也許C柱承擔。頂蓋側(cè)梁包括加強板和內(nèi)板，其結(jié)構(gòu)要求為：整體的外觀、車內(nèi)空間和視野大小以及密閉性要求。其主要作用為安裝車頂并參與車門的密封。另外，側(cè)圍設(shè)計需要對各部分的要求進行綜合考慮，使車身的組裝更協(xié)調(diào)更合理，具體如下：1.由于各部分連接處強度較弱，為了使各部分組裝拼接的強度滿足需要，安裝連接板十分必要且有效，尤其是像中支柱上端與頂蓋側(cè)梁相接處這種薄弱部位。另外，對構(gòu)件加工制造方式及精度、材料種類和各自的連接位置都有較高要求；2.設(shè)計時先確定好車身的整體外形和參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對各個部分各構(gòu)件進行分別設(shè)計計算；3.對于會產(chǎn)生撞擊或摩擦的配合表面如車門鉸鏈和門框等易產(chǎn)生形變處應(yīng)安裝加強板，目的是增強其剛度。4.需要把側(cè)圍與車門的結(jié)構(gòu)關(guān)系協(xié)調(diào)好，制定方案時需明確二者裝配、連接的位置與結(jié)構(gòu)，比如門鎖、車門鉸鏈等。使其具有良好的密閉性。2.3側(cè)圍人機工程學為了提高駕駛的舒適性和安全性，使汽車適合人體活動和觀察外界的習慣和特性，讓汽車配合人而不是人適應(yīng)車，需要根據(jù)人機工程學的理論，對側(cè)圍的各項尺寸數(shù)據(jù)和外形進行重新設(shè)計計算，具體的要求有以下五點：汽車以50km/h的車速側(cè)向撞向剛性小的物體，B柱形變≤180±20mm；根據(jù)《GB11566?1995汽車外部凸出物》，車身外不能有半徑在2.5mm以下的突出物；根據(jù)Euro?NCAP，汽車以64km/h的車速以及40%偏置撞向剛度較小的物體，A柱形變<50mm根據(jù)《GB11565?1994駕駛員前方視野》，當駕駛員用雙眼看向A柱時，其視野遮擋角度必須在6°以下；為了便于汽車乘用人上下車、保證外形和車內(nèi)空間合理，汽車上面的邊梁和門檻梁在垂直地面方向的距離一般在100?150cm。2.4側(cè)圍的性能要求通常情況下，是否有足夠的結(jié)構(gòu)強度來保證車禍發(fā)生時車上人員的人身安全，這是衡量汽車側(cè)圍結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵要素。為了保證車內(nèi)人員的人身安全，需要將車輛碰撞時的車身變形控制在足夠小的范圍內(nèi)，但僅僅如此是不夠的，碰撞會產(chǎn)生巨大的能量，這些能量作用到人體會產(chǎn)生致命傷害。因此將這些能量以傳遞到地面等物體或吸收“消化”掉的方式減少對人的傷害是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中十分關(guān)鍵的重點[13]。行業(yè)內(nèi)制定的應(yīng)用通常是比較廣泛的，汽車側(cè)圍抗撞性能設(shè)計標準主要是以歐洲的ECE和美國的FMVSS，但各國推行的設(shè)計標準在許多方面都不能保持一致，于是才有了為了消除這些標準的差異，成立側(cè)面碰撞工作小組（SIWG）和國際協(xié)調(diào)研究活動（IHRA為了降低實驗成本、合理安全地復(fù)刻沖擊對人的傷害，在實驗中通常用假人和可變形移動壁障來模擬真實碰撞場景，應(yīng)用普遍的設(shè)備有EuroSID?1、ES2、BIOSID、SID、SID?IIs。其中假人：其結(jié)構(gòu)特性及外部輪廓與真人十分相像，可以近似得到側(cè)面碰撞對人體可能造成的傷害情況；可移動墻壁能模擬實際汽車側(cè)撞的形變和震動大小，可以降低真車實驗的高昂成本。衡量側(cè)面碰撞對人體的傷害程度是實驗的重點，其中又在整車的碰撞滑移、乘用人損傷程度等級和損傷生物力學等試驗和理論的不同角度完成具體分析。損傷生物力學是汽車碰撞安全性的理論分析依據(jù)，分別對人體不同部位對碰撞的反應(yīng)情況、可承受的最大傷害程度和不同大小沖擊的傷害特性進行理論研究，并對實驗用的假人進行高度模擬設(shè)計。根據(jù)理論研究成果、模擬實驗和實際道路車禍的現(xiàn)場勘察，得知盆骨、胸腹、頭頸是最易發(fā)生碰撞損害的部位。把實驗和理論研究的結(jié)論和數(shù)據(jù)進行數(shù)學方法分析，并為汽車行業(yè)的生產(chǎn)制造提供汽車安全性能標準。2.5側(cè)圍的選材原則在本節(jié)，對側(cè)圍材料進行分析并選取。本次設(shè)計中，研究對象是目前新型的電動汽車。電動汽車目前存在的問題就是續(xù)航問題，其續(xù)航里程能否得到提升，需要對電池的蓄電量，耐久度以及使用壽命相關(guān)。而對此核心技術(shù)的研究不是短時間內(nèi)可以獲得較大突破的，而同樣作為核心的電機也同樣如此。這時我們考慮到，如果可以使電動汽車的總質(zhì)量降低一定量，也同樣可以提升續(xù)航能力，提高核心部分的使用壽命。因此，為了降低總質(zhì)量，我們可以選取質(zhì)量減輕的材料，本次設(shè)計中選擇PP+LGF復(fù)合材料。2.5.1PP+LGF的力學性質(zhì)在上文中提到需要使用質(zhì)量較輕的PP+LGF復(fù)合材料作為汽車側(cè)圍結(jié)構(gòu)材料。眾所周知，汽車的工作環(huán)境較差，為了能夠適應(yīng)各種不利環(huán)境，需要材料具有較高的強度和剛度、耐熱性以及耐熱沖擊能力。而PP+LGF復(fù)合材料完美的結(jié)合了這些性質(zhì)。除此之外，這種材料易被塑造成各種形狀，且具有較好的吸振降噪性能，所以作為側(cè)圍材料的較好選擇。2.5.2熔體流動速率（MFR）對復(fù)合材料性能的影響所謂MFR，指的是熔體流動速率，本節(jié)考慮將MFR作為變量，采用不同流速的試液分別與質(zhì)量分數(shù)為25%的LGF材料均勻混合，分別編號為1、2、3。其中，三個編號的熔體流速分別為41g/10min、26g/10min、7g/10min。將試樣分別做以下測試：對于拉伸強度和彎曲強度，進行十次試驗。取十次拉伸強度的測試結(jié)果的平均值，采用ASTMD638?2008測試；取十次彎曲強度的測試結(jié)果的平均值，采用ASTMD790?2007測試；而對于沖擊強度，由于其重要性，需要做二十次測試，取測試結(jié)果的平均值，采用ASTMD256?2010測試；表2.1試樣1、2、3力學性能比較對上表2.1進行分析，得出如下結(jié)論：隨著熔體流速逐漸增大，沖擊強度和拉伸強度都分別增大，顯然，沖擊強度的增幅相對而言更為明顯；而對于彎曲強度，僅對于圖表所示內(nèi)容而言，其數(shù)值隨熔體流速的增大先增大后減小，因此可推斷出實際情況下，其變化可能不是特別穩(wěn)定。但總體而言，隨著流速的增大，各種力學性能都有較大的增幅。2.5.3玻纖（GF）含量對復(fù)合材料性能的影響與熔體流速的實驗原理相似，對于GF含量對材料性能影響的實驗，也用到控制變量法。獲得不同含量的玻纖與聚丙烯混合并注塑成型的樣品。表2.2GF用量對復(fù)合材料性能的影響對上表2.2進行分析，得出如下結(jié)論：隨著LGF質(zhì)量分數(shù)的增長，材料的力學性能以及彎曲模量都會增長。但材料力學性能在LGF質(zhì)量分數(shù)較高時，增長速率已經(jīng)較為緩慢。而彎曲模量則始終保持著高增長速率。所以可以從多方面選擇一個最佳的LGF質(zhì)量分數(shù)，以保證材料性能和質(zhì)量達到最優(yōu)。2.5.4PP+LGF復(fù)合材料制備工藝雖然本文提出選擇具有較高的強度和剛度、耐熱性以及耐熱沖擊能力的PP+LGF復(fù)合材料作為側(cè)圍的材料，但在實際生活中，也有許多其他常見的復(fù)合材料，如：SMC、GMT等。但本文之所以在眾多材料中選擇了PP+LGF復(fù)合材料，有如下原因。與SMC相比，PP+LGF復(fù)合材料易被塑造成各種形狀，具有較快的成型速度，且在設(shè)計中具有較高的自由度；具有較好的吸振降噪性能，耐疲勞；無需過高精度的模具，這在設(shè)計中就會節(jié)省大量成本。而與GMT相比，則是擁有制造工藝上的優(yōu)越性。所以，PP+LGF復(fù)合材料制造工藝、設(shè)計自由度、耐疲勞等方面的優(yōu)勢，因此被廣泛使用在側(cè)圍的結(jié)構(gòu)中。2.5.5PP+LGF應(yīng)用實例上文中已經(jīng)提到，PP+LGF復(fù)合材料是為了降低車輛質(zhì)量而選擇的，而這種材料的密度是其最為突出的優(yōu)勢。這種材料在強度上已經(jīng)可以滿足一些汽車內(nèi)飾的需求；PP+LGF復(fù)合材料易被塑造成各種形狀，具有較大的設(shè)計自由度，制造工藝較為簡單；耐腐蝕，不易被劃傷，可代替低碳鋼等。PP+LGF復(fù)合材料具有較高的強度和剛度、耐熱性以及耐熱沖擊能力，且具有較好的吸振降噪性能。由于PP+LGF復(fù)合材料具有較好的性能且生產(chǎn)成本低，所以目前已被廣泛應(yīng)用與前端模塊、蓄電池托架等處。下表具體指出了PP+LGF復(fù)合材料的應(yīng)用。表2.3PP+LGF在汽車上的應(yīng)用案例2.6本章小結(jié)本章分析了側(cè)圍結(jié)構(gòu)以及設(shè)計要求。并通過分析當下電動汽車發(fā)展趨勢，得出降低質(zhì)量而獲得較好的電機、蓄電池性能，選擇PP+LGF復(fù)合材料作為側(cè)圍的材料并分析各力學性能的變化特征。最后討論了PP+LGF復(fù)合材料的應(yīng)用。3側(cè)圍設(shè)計與三維建模3.1后側(cè)圍設(shè)計背景汽車的后側(cè)圍對于汽車車身的剛度有極為重要的影響，在汽車受到側(cè)方位沖撞時，會承受巨大的彎矩，由下圖所示零部件焊接而成的車身是否能夠保護中部乘坐室的安全，也成為現(xiàn)在的焦點話題。圖3.1側(cè)圍組成3.2側(cè)圍布置設(shè)計在側(cè)面尺寸的車身構(gòu)造中，一部分重要零部件的位置與車輛的整體配置、安全以及乘坐感覺的問題有關(guān)。(1).側(cè)圍的傾斜度這個傾斜度對于駕駛員以及乘員的舒適性有較大影響，如果傾斜度選擇不合理，可能會使車內(nèi)空間較小，影響駕駛員以及乘員上下車。側(cè)圍的傾斜度(即門門檻梁和上邊梁之間Y向的距離)的距離差值在100~150mm合適。(2).凸出零件的圓角半徑根據(jù)相關(guān)標準，對于車身而言，該值應(yīng)大于2.5mm。(3).A柱所謂A柱，就是位于汽車前擋風玻璃與前車門之間的柱子，按照正面碰撞法規(guī)，如若車身側(cè)圍受到撞擊，對于A柱的可偏移量是有要求的。根據(jù)Euro?NCAP相關(guān)規(guī)定，在64km/h的車速下，對A柱的位移要求小于50mm。(4).A柱幾何形狀根據(jù)《GB11562?1994駕駛員前方視野》相關(guān)規(guī)定，在車輛行駛過程中，如若駕駛員沒有開闊的視野，那么發(fā)生交通事故的可能性就會大大增加，而A柱幾何形狀對視野的開闊性影響很大。考慮到這個因素，對于A柱幾何形狀設(shè)計時，需要降低雙目障礙角（該值不得超過6°）以開拓駕駛員的視角。但是這個值也不是越小越好，如果該值過小的話，A柱的剛度就會不足，影響駕駛安全。所以在對A柱幾何形狀設(shè)計時，需要綜合考慮這兩個因素，在滿足剛度的前提下，使駕駛員的視野更為開闊。(5)B柱所謂B柱，指的是前車門和后車門之間的柱子，與A柱相同，B柱受到撞擊的可偏移量，根據(jù)側(cè)面碰撞法規(guī)的規(guī)定，在汽車以50km/h的速度行駛時，B柱的位移應(yīng)≤180±20mm。3.3側(cè)圍結(jié)構(gòu)設(shè)計當汽車受到正面撞擊時，由于防撞鋼梁與發(fā)動機之間設(shè)置有碰撞吸能區(qū)，因此車輛受到正面撞擊會有較好的保護裝置。但是不同于正面，當汽車側(cè)圍受到撞擊時，由于汽車橫向沒有此裝置，因此必須保證側(cè)圍受力后不會產(chǎn)生過大的變形以威脅乘客安全，所以需要選用較大剛性的材料并合理布置以降低側(cè)圍結(jié)構(gòu)的變形量和變形進入車內(nèi)空間的速度，具體措施為：增大車身結(jié)構(gòu)的剛度；改變車身的結(jié)構(gòu)，使碰撞時載荷可以被傳遞到合理的位置。下面通過一個具體的側(cè)圍設(shè)計案例，來為本課題后側(cè)圍設(shè)計提供結(jié)構(gòu)設(shè)計參考依據(jù)A柱部位a.由于該處上鉸鏈部分相接于前端，故需較大的截面作為支撐；b.而下鉸鏈端則選擇窄口收縮的設(shè)計；c.下區(qū)域尺寸足夠大。d.此大面平坦做一根Z向通筋。e.上下鉸鏈加強板做成U型結(jié)構(gòu)且內(nèi)外板加強板錯位相接。圖3.2A柱部位設(shè)計要求圖3.3A柱部位設(shè)計要求門檻梁加強板a.在A柱下部盡可能加筋;b.在平坦處加橫筋與斜筋.圖3.4門檻梁部位設(shè)計要求B柱加強板A、b柱強化板下面的接頭做成了箱子的形狀，提高了強度。b.鉸鏈加強板c.背門檻加強板除具有上述特征外，還具有斜肋；圖3.5B柱部位設(shè)計要求d.由于后部沒有加強板，上加強板與后部的連接被翻起，并通過塞焊與內(nèi)板連接。圖3.6B柱部位上接頭設(shè)計要求C柱加強板a..上部加強板形成封閉型腔以使C柱滿足強度要求;b.封閉型腔內(nèi)、外以及后門框后輪罩處均布置緩沖塊。圖3.7C柱加強板部位設(shè)計要求上邊梁加強板在結(jié)束段形成封閉腔體。圖3.8上邊梁部位設(shè)計要求三廂側(cè)圍a.薄弱處加強板呈盒式并加裝加強筋。b.在強度不足處加裝緩沖塊，以提高乘車安全性。二廂側(cè)圍C、D柱中間的部分的左側(cè)的剛度足夠，但右側(cè)需加緩沖塊以提高強度并緩沖沖擊。圖3.9兩廂車側(cè)圍設(shè)計要求3.4側(cè)圍結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項1、為了增加模具壽命，選擇盡可能小的沖壓負角。2、圓角應(yīng)大于3mm，并且在允許范圍內(nèi)盡可能大一些。3、設(shè)計零件時，所選擇的定位基準應(yīng)是前面工序共用的孔。4、焊接邊寬度應(yīng)該大于12.0mm，焊接的設(shè)備應(yīng)該操作較為簡單，不應(yīng)過于復(fù)雜。5、不能焊接的零件表面應(yīng)留有間隙。6、孔邊與零件邊緣距離應(yīng)大于3mm。7、在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為了排出廢液，選擇足夠數(shù)量與直徑大小合適的孔置于零件最下端。8、注意加工時，應(yīng)該留有加工余量。9、沖孔方向與孔法矢方向的角度不應(yīng)過大。10、沖壓件拉延的最大相對深度約為0.63.5側(cè)圍三維模型繪制本課題采用三廂車車身側(cè)圍為研究對象，三廂車側(cè)圍主要由A柱外板、B柱外板、D柱外板及后側(cè)圍構(gòu)成。本課題繪圖對象為后側(cè)圍，首先根據(jù)車輪安裝要求，以后輪罩的法蘭翻邊為邊界條件，繪制后側(cè)圍后輪罩的曲面，如圖3.10所示。圖3.10后側(cè)圍后輪罩曲面造型其次根據(jù)門檻梁外板的曲面造型繪制與后側(cè)圍輪罩曲線向切的外板曲面造型，如圖3.11所示，圖3.11后側(cè)圍門檻梁外板曲面造型其次根據(jù)車門內(nèi)板的造型及C柱外板造型繪制后側(cè)圍相應(yīng)的曲面造型，如圖3.12所示圖3.12后側(cè)圍C柱外板曲面造型由于車門外板與后側(cè)圍外板需構(gòu)成密封結(jié)構(gòu)，同時又考慮美觀性，因此上述輪罩曲面與C柱外板不可采用直曲面直接過渡，需設(shè)計成臺階狀曲面結(jié)構(gòu)與密封條進行配合構(gòu)成密封結(jié)構(gòu)，過渡曲面形狀如圖3.13所示。圖3.13后側(cè)圍C柱外板與后輪罩過渡曲面造型車尾由于需安裝尾燈及其他元件，因此需與尾燈的造型相互配合，本設(shè)計從美觀性的角度出發(fā)，燈罩造型采用與特斯拉相同的造型設(shè)計，即尾燈的安裝孔在后圍板及后側(cè)圍板都應(yīng)預(yù)留，尾燈罩的安裝孔位與前述曲面造型平滑過渡，保證空氣阻力最小，減少油耗，如圖3.14所示。圖3.14后側(cè)圍后燈過渡曲面造型本課題后側(cè)圍應(yīng)用對象為三廂轎車，因此后側(cè)圍由于需與后備箱蓋配合，從美觀性的角度出發(fā)，后側(cè)圍與后備箱蓋過渡曲面采用C字型過渡，如圖3.15所示。圖3.15后側(cè)圍與后備箱蓋過渡曲面造型最后整體的后側(cè)圍造型如圖3.16所示，后側(cè)圍采用模壓工藝制造，厚度為0.8mm。圖3.15后側(cè)圍整體曲面造型3.6本章小結(jié)本章分析了不同轎車類型的側(cè)圍結(jié)構(gòu)，并從各個側(cè)圍組成部分分析了其設(shè)計要求，此外還分析了后側(cè)圍結(jié)構(gòu)設(shè)計時的注意事項，根據(jù)以上要求，利用catia繪制了三廂車的后側(cè)圍造型。4后側(cè)圍二維工程圖紙繪制4.1車身制圖標準坐標系的確定對于坐標系，需使用右手定則確定。如下圖所示，X、Y、Z方向分別指車輛的長、寬、高三向。圖4.1整車坐標系4.1.1坐標平面的確定通常取沿著車架縱梁上表面平直且較長的一段平面為Z向的坐標零平面，零平面上表面為正方向，下表面為負方向。類似的，Y方向與X方向的零平面分別選為縱向?qū)ΨQ中心平面以及車輪的中心線并垂直于高度方向的平面。而正負可如此劃分：對于Y方向，左正右負；而X方向則前正后負。4.1.2坐標線的標記及間隔完成坐標系的建立后，需對作圖的一些基本標記做出說明。一條坐標線，首先其上字號設(shè)置為7號；線間隔一般為100mm或其整數(shù)倍；將間隔距離除以100所得到的數(shù)值（反方向則標“?”），也屬于標記之一。例如：與Z方向的坐標零平面相距300mm且處于負方向，則可標記為?3Z。4.2后側(cè)圍工程圖紙繪制根據(jù)以上各小結(jié)車身制圖規(guī)范，確定整車坐標系、坐標平面后進行坐標線劃分，繪制了后側(cè)圍的工程圖紙，該圖紙分為以下幾個部分：視圖、技術(shù)要求、標題欄。視圖供包含正視圖、左視圖及軸測圖；根據(jù)車身設(shè)計要求、加工要求、裝配要求、公差要求提出了適用于后側(cè)圍結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求；標題欄表明了圖紙比例、重量及側(cè)圍材料結(jié)構(gòu)等信息。如圖4.2。圖4.2后側(cè)圖紙4.3本章小結(jié)本章首先確定了整車坐標系、坐標平面，其次根據(jù)車身相關(guān)制圖標準，繪制了后側(cè)圍的二維工程圖紙。

5后側(cè)圍有限元建模與模態(tài)分析5.1模態(tài)分析基礎(chǔ)這種技術(shù)所具有的意義如下：1.對發(fā)動機轉(zhuǎn)動頻率波動范圍進行計算，并分析汽車其他結(jié)構(gòu)或零件的固有頻率等基本參數(shù)，以此來避免其大小為轉(zhuǎn)頻的整數(shù)倍數(shù)時的共振。2.對汽車不同的結(jié)構(gòu)或零件的固有頻率進行分析，并使其大小保持一定差距，以此來避免同頻共振的發(fā)生。3.對行駛道路的振動頻率進行計算，并分析車上結(jié)構(gòu)或零件的固有頻率等參數(shù)，以此來避免二者同頻共振使行駛顛簸。4.對掛空檔時發(fā)動機的轉(zhuǎn)動頻率波動范圍進行計算，并分析汽車其他結(jié)構(gòu)或零件的固有頻率等基本參數(shù)，以此來避免其大小與空檔轉(zhuǎn)頻相等而造成的共振問題。5.對汽車的座椅，方向盤，踏板等直接接觸乘用人的部件振動頻率進行分析，使其大于與人體難以適應(yīng)的頻率保持合理的差距，從而提供給乘用者良好的體驗感本章將對后側(cè)圍的模態(tài)進行分析，分析目的是為了觀察后側(cè)的固有頻率是否可能與其他部件發(fā)生共振，為后續(xù)的設(shè)計及制造提供參考。5.1網(wǎng)格劃分HYPERWORKS提供三種網(wǎng)格供有限元分析使用，分別是二面體、四面體及六面體，由于后側(cè)圍薄板類結(jié)構(gòu)，因此采用二面體網(wǎng)格劃分較為方便，二面體網(wǎng)格劃分的辦法通常是通過提取薄板類結(jié)構(gòu)的中面，而后在中面上生成網(wǎng)格，其次賦予相應(yīng)的厚度即可。利用二面體劃分的后側(cè)圍網(wǎng)格如圖5.1所示，節(jié)點數(shù)共41028，單元數(shù)共80491。圖5.1后側(cè)圍網(wǎng)格5.2材料屬性建立PP+LGF復(fù)合材料具有非常多的優(yōu)點，可以替代傳統(tǒng)金屬材料從而應(yīng)用于某些汽車零部件中，如尾門、前支撐模塊、側(cè)圍等，同時，PP+LGF復(fù)合材料還具有優(yōu)異的性能和低廉的成本。因此，本課題后側(cè)圍選用PP+LGF復(fù)合材料，其密度為0.69g/cm3，彈性模量為840Mpa，泊松比為0.42，厚度為1.2mm。在HYPERWORKS中賦予相關(guān)的材料及屬性，如圖5.1,5.2所示。圖5.1PP+LGF復(fù)合材料信息圖5.2PP+LGF屬性信息5.3模態(tài)分析分析后側(cè)圍自由模態(tài)，分析方法采用HYPERWORKS自帶的EIGRA模態(tài)計算卡片，此卡片能夠充分提高計算效率及計算精度，通過OPTISTRUCT求解后的后側(cè)圍前十階模態(tài)如圖5.3-5.6所示，模態(tài)頻率如表5.1所示。表5.1后側(cè)圍前十階模態(tài)階數(shù)頻率(hz)15.99E-426.56E-436.61E-447.71E-458.75E-468.91E-4744.3846.2948.41051.5圖5.3后側(cè)圍第七階模態(tài)圖5.4后側(cè)圍第八階模態(tài)圖5.5后側(cè)圍第九階模態(tài)圖5.6后側(cè)圍第十階模態(tài)通過對后側(cè)圍進行了模態(tài)分析可知，后側(cè)圍的前六階模態(tài)為剛體模態(tài)，從第七階開始，后側(cè)的模態(tài)頻率分別為44.3,46.2,48.4,51.5，而車身的一階彎曲及一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的頻率通常低于35HZ，后側(cè)的最低模態(tài)為44.3HZ,大于35，因此本課題所設(shè)計后側(cè)不會與車身發(fā)生共振的危險。5.4抗凹剛度分析在車輛側(cè)圍發(fā)生側(cè)面小變形碰撞時，有可能會導(dǎo)致側(cè)圍板金件發(fā)生凹陷，使得車輛整體的美觀性下降。因此本小節(jié)將對后側(cè)圍在不同的載荷下對側(cè)圍的抗凹剛度進行分析，根據(jù)實際情況載荷分別取100kg，200kg，300kg，500kg，分析后側(cè)圍在相應(yīng)的載荷下的變形趨勢。（1）100kg：當施加的載荷未100kg時，后側(cè)圍最大變形為59.5mm，此時處于彈性變形之內(nèi)，變形云圖如圖5.7所示。圖5.7100kg后側(cè)圍變形云圖（2）200kg：當施加的載荷未200kg時，后側(cè)圍最大變形為118mm，此時處于塑性變形之內(nèi)，變形云圖如圖5.8所示。圖5.8200kg后側(cè)圍變形云圖（3）300kg：當施加的載荷未300kg時，后側(cè)圍最大變形為178mm，此時后側(cè)圍已發(fā)生破壞，變形云圖如圖5.9所示。圖5.9300kg后側(cè)圍變形云圖（4）400kg：當施加的載荷未400kg時，后側(cè)圍最大變形為237mm，此時后側(cè)圍已發(fā)生破壞，變形云圖如圖5.10所示。圖5.10400kg后側(cè)圍變形云圖（5）500kg：當施加的載荷未500kg時，后側(cè)圍最大變形為297mm，此時后側(cè)圍已發(fā)生破壞，變形云圖如圖5.11所示。圖5.11500kg后側(cè)圍變形云圖5.5本章小結(jié)本章首先根據(jù)前面的后側(cè)選材要求，建立后側(cè)的有限元模型，其次開展了后側(cè)的模態(tài)分析，最后分析結(jié)果表明，后側(cè)圍的最低模態(tài)為44.3HZ，模態(tài)頻率較高，因此不會與其余發(fā)生耦合共振的風險。參考文獻全國私家車保有量首次突破2億輛《人民日報》（2020年01月08日04版）中國統(tǒng)計年鑒—2012，北京：中國統(tǒng)計出版社，2012楊濟匡，覃禎員，王四文等，轎車側(cè)面柱碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)與乘員損傷研究，湖南大學學報（自然科學版），2011，38(1)：23-28李超.采用拼接焊板結(jié)構(gòu)的汽車車門輕量化設(shè)計方法研究[D].長沙:湖南大學,2011;段大祿，莫易敏，袁友利，王峰，謝業(yè)軍.基于OptiStruct優(yōu)化的汽車側(cè)圍結(jié)構(gòu)耐撞性研究[J].機械研究與應(yīng)用，1007－4414(2017)02－0052－04王嵌.轎