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2024年6月1日发(作者:)

2014年(第36卷)第12期

汽摇车摇工摇程

AutomotiveEngineering2014(Vol.36)No.12

2014285

风挡玻璃对车身结构刚度影响的研究

王摇超

1

,吕振华

1

,吕毅宁

1,2

(1郾清华大学汽车工程系,北京摇100084;摇2郾中国船级社技术研究开发中心,北京摇100007)

*

[摘要]摇首先研究白车身(BIW)和带有风挡玻璃的车身结构(BIP)的有限元模型的构建技术,进而分析了风

挡玻璃对车身结构静弯曲刚度和静扭转刚度的影响。接着,通过对BIW和BIP车身结构进行固有振动特性分析,

揭示了风挡玻璃对车身结构动刚度的影响。最后,对车身结构的接头刚度性能进行了分析和评价,并总结了风挡玻

璃对车身接头结构承载特性的影响规律。

关键词:风挡玻璃;白车身;刚度;有限元法

AResearchontheEffectsofWindshieldontheStructuralStiffnessofVehicleBody

2郾TechnologyResearchandDevelopmentCenter,ChinaClassificationSociety,Beijing摇100007

1郾DepartmentofAutomotiveEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing摇100084;

WangChao

1

,L俟Zhenhua

1

&L俟Yining

1,2

structurewithwindshieldisstudiedandtheeffectsofwindshieldonthestaticbendingandtorsionalstiffnessofcar

structures,ythestiffnessperform鄄

bearingcharacteristicsofjointstructuresummarized.

Keywords:windshield;BIW;stiffness;FEM

anceofjointstructuresofcarbodyisanalyzedandevaluatedwiththelawoftheinfluenceofwindshieldontheload

[Abstract]摇Thefiniteelementmodelingtechniqueforbody鄄in鄄white(BIW)andbody鄄in鄄prime(BIP)

roughtheanalysisonthenaturalvibrationcharacteristicsofBIWandBIP

转刚度。某白车身结构在装配全部风挡玻璃后,整

前言

采用直接粘结法进行轿车风挡玻璃的装配是国

内外普遍采用的一项先进技术

[1-2]

。该方法与传统

的橡胶密封条固定风挡玻璃的装配工艺相比,连接

强度高,密封性能好、装配工艺简单、外形美观,而且

有助于提高车身结构的刚度,从而提高车辆的乘坐

舒适性。

在车身结构的设计中采用直接粘贴法进行轿车

风挡玻璃的装配,最初主要是基于功能设计和密封

方面的考虑。但是,直到20世纪90年代中期,随着

高弹性模量、高强度胶粘剂的出现,风挡玻璃已经成

为车身结构的承载构件,可显著提高车身结构的扭

*国家863计划项目(2006AA110103)资助。

体扭转刚度提高了40%

[2]

下特点:研究对象一般为白车身结构

[3-5]

;主要研究

车身结构的刚度和固有振动特性;利用灵敏度分析

文献[8]中以两厢车为研究对象,分析了风挡玻璃

对车身结构静刚度和接头承载特性的影响。

两厢车和三厢车在车身造型和风挡玻璃的布置

等方面有明显差异,因此,风挡玻璃对三厢车车身结

构刚度的影响有着自身的特点。文中以某经济型三

厢轿车(下称X轿车)为研究对象,首先研究BIW结

构和BIP结构的有限元模型的建模技术;然后分析

风挡玻璃对车身结构固有振动特性的影响,并将分

法对白车身结构的刚度和振动特性进行优化

[6-7]

现有的关于车身结构刚度方面的研究主要有以

原稿收到日期为2013年3月13日,修改稿收到日期为2013年4月27日。

·1540摇·汽摇车摇工摇程2014年(第36卷)第12期

析结果与实验结果相比较,以验证有限元模型的精

度;在此基础上分析风挡玻璃对车身结构静刚度的

影响;最后就风挡玻璃对车身接头结构承载特性的

影响作简单探讨。

构的建模,如图4所示。

1摇车身结构的有限元模型

1郾1摇白车身结构的有限元模型

根据X轿车白车身结构的CAD模型和分析目

标,对各零部件分别进行合理的几何简化和有限元

网格划分,并采用CWELD焊点模型对所有焊点和

焊缝进行建模,建好的白车身结构的有限元模型如

图1所示。为使所建立的车身模型能尽可能包括对

整体结构刚度有较大贡献的所有部件,图1的模型

中除包括白车身车体结构外,还包括副车架和仪表

盘梁。建立的白车身结构的有限元模型的统计信息

如表1所示。

图1摇X轿车BIW结构的有限元模型

表1摇车身结构有限元模型的统计信息

节点数焊点单元壳单元单元总数

BIW

BIP

398

420

546

750

3

3

343

343

375

394

303

162

380

399

125

704

1郾2摇风挡玻璃及其与车身装配结构的有限元模型

轿车中装配风挡玻璃的胶粘剂一般为高强度的

黏弹性材料

。利用壳单元对风挡玻璃进行有限元建模

,其剪切模量随频率的变化关系如表2

所示

[9]

风挡玻璃与窗框之间的装配结构的建模方法如图2

,

所示

[8]

力应变关系如图

。风挡玻璃的弹性模量为

3所示。利用该建模方法在白车

76GPa,其真实应

身结构中加入前后风挡玻璃就完成了对BIP车身结

表2摇胶粘剂的力学特性

f/Hz100

G/MPa0郾600郾650郾690郾710郾730郾770郾80

图2摇风挡玻璃与窗框间装配结构及其有限元建模方法

图3摇风挡玻璃材料的应力应变关系

图4摇X轿车BIP结构的有限元模型

车身结构扭转静刚度分析

计算车身结构扭转静刚度的有限元模型中,其

支撑方式应该保证4个悬架安装支撑点可以发生合

理的相对运动,且在该约束和加载条件下车身结构

不是超静定的,以避免得到的车身结构刚度中包含

由于过约束引入基础刚度。图5为对车身结构施加

的约束和载荷条件:在两个后悬架支座A、B处约束

其Z方向的平动自由度,在副车架上取某一位于车

身纵向对称平面的点E,约束其3个方向的平动和

绕Z轴的转动自由度;在两个前悬架避震塔C、D处

施加大小相等、方向相反的沿Z轴方向的载荷F,实

现对车身结构施加3kN·m的转矩。

2摇

2014(Vol.36)No.12王超,等:风挡玻璃对车身结构刚度影响的研究·1541摇·

图5摇X轿车车身结构扭转静刚度分析时的边界条件

根据车身结构在上述边界条件下的变形,即可

算得车身的整体扭转静刚度为

C

式中:T

T

=

为通过前悬架支座对车身结构施加的转矩

T/兹(1)

,

通常为3kN·m;兹为前后避震塔中心轴线之间的相

对扭转角。

前人的研究

[2,8]

业已证实,采用直接粘贴的风挡

玻璃,相对于传统安装方式的风挡玻璃,能显著提高

其对车身刚度的贡献。本文中不再进行两种安装方

式的对比,而着重对采用直接粘贴风挡玻璃对提高

车身刚度的作用进行定量分析。文中所示BIP皆采

用直接粘贴的风挡玻璃。X轿车车身结构的整体扭

转静刚度有限元分析结果如表3所示。可以看出,

采用粘贴方式安装风挡玻璃有助于提高车身结构的

扭转静刚度,而且增强效果十分显著;并且前后风挡

玻璃对车身扭转静刚度的增强效果基本相同。

表3摇X轿车车身结构的整体扭转静刚度

车身模型BIWFW_BIPRW_BIPBIP

C/(kN·m/(毅))4郾856郾796郾338郾84

仅装有后风挡玻璃的车身结构

摇注:FW_BIP表示仅装有前风挡玻璃的车身结构

;RW_BIP表示

反映车身整体结构在承受扭转载荷情况下的抗变形

摇车身结构的整体扭转静刚度可以在一定程度上

能力。但是,该参数并不能反映车身整体结构的刚

度分布,不能据此发现车身结构设计中的薄弱环节。

在车身结构刚度测试和有限元分析方法研究中,一

般常用前后纵梁、中通道及门槛梁的变形情况来描

述车身结构的刚度分布。

为深入了解前后风挡玻璃对车身结构扭转静刚

度的影响,通过对4类车身结构在扭转载荷下左右

两侧的前纵梁、门槛梁和后纵梁的相对扭转角进行

了对比分析,分析结果如图6所示。可以看出风挡

玻璃并不影响车身地板沿车身纵向轴线的变形方

式;采用粘贴方式安装风挡玻璃可以显著提高车身

扭转静刚度。相比而言,前风挡玻璃对车身结构扭

转静刚度的贡献更为明显。

图6摇车身结构扭转静刚度比较

为保证密封、安全和舒适性等要求,车身上活动

10

件的安装框架还有特别的刚度要求

[10]

。如图7~图

转载荷下的变形可以通过其对角线的伸长或缩短量

所示,前窗框、后窗框、前车门框和后车门框在扭

来表示。分析得到各安装框架的变形见表4。可见

风挡玻璃只能显著减小各自窗框变形,对车门框架

等的变形很难起到明显的增强作用。同理,门锁位

置的相对变形等也可以用相同的分析方法求得。

图7摇前窗框对角线标识图8摇后窗框对角线标识

图9摇前车门框对图10摇后车门框对

角线标识角线标识

此外,根据车身结构在扭转载荷下的计算结果,

得到白车身结构的变形分布如图11所示。可见车

身结构纵向对称平面附近的变形较小,沿车身纵向

·1542摇·汽摇车摇工摇程2014年(第36卷)第12期

表4摇扭转载荷下前后车门和风挡安装框架的变形

地板中通道梁的垂向挠度分布如图13所示。可以

A

mm

1

A

2

B

1

B

2

C

1

C

2

C

3

D

1

D

2

FW_BIP

BIW4郾

0郾

2

3

-4郾

-0郾

1

3

-2郾

-2郾

7

9

2郾70郾-0郾

RW_BIP

-0郾

8

BIP

4郾

0郾

6-0郾8-0郾90郾8

0郾

3

4

-4郾

-0郾

3

3

-0郾

-0郾

3

2郾

4

0郾

9

0郾

3

4

0郾

7

6

-0郾8-0郾80郾8

-0郾

7

0郾7

-0郾

-0郾

8

7

-0郾

-0郾

9

8

0郾

0郾

7

7-0郾

8

8

图11摇白车身在扭转载荷下的变形分布(单位mm)

轴线方向的变形变化较均匀,这说明车身结构的扭

转静刚度沿车身纵向轴线分布较均匀。

3摇车身结构的弯曲刚度分析

分析车身结构弯曲刚度时对车身结构施加的约

束条件和加载方式如图12所示:在右后悬架支座处

约束3个方向的平动,左后悬架支座处约束纵向和

垂向平动,两个前悬架支座处都只约束垂向位移。

根据满载工况下车身结构承受的静态载荷对车身结

构进行加载。主要的加载位置包括前纵梁和副车架

上的发动机悬置安装点、前排座椅安装横梁和支架、

后排座椅安装横梁和支架以及后备箱等处。

图12摇车身弯曲静刚度分析时的边界条件

通过分析车身结构的弯曲变形沿车身纵向轴线

的分布,可以发现车身结构中的薄弱构件,进而全面

评价车身结构弯曲刚度。分析得到车身地板纵梁和

看出,装风挡玻璃后车身的前纵梁、门槛梁、后纵梁

和中通道的变形都有一定的减小,刚度都有一定的

提升。同样的边界与载荷条件下,前后窗框和前后

车门的变形如表5所示。可以看出在弯曲载荷下,

风挡玻璃对活动件安装框架刚度的增强效果一般。

图13摇风挡玻璃对车身结构弯曲静刚度的影响

表5摇扭转载荷下前后车门和风挡安装框架的变形

A

1

A

2

B

1

B

2

C

1

C

2

C

3

D

1

D

mm

2

BIW0郾

BIP0郾

006

000

0

3-0郾

0郾014

003

-0郾

-0郾

007

000

0

4

0郾

0郾

030

006

-0郾

-0郾

150

150

0郾

0郾

200

200

0郾

0郾

150

160

0郾

0郾

260

180

0郾

0郾

009

070

车身结构在弯曲载荷下的变形分布如图14所

示。可见车身结构的变形沿纵向对称平面对称分

布。白车身地板的变形变化较均匀,说明车身地板

的弯曲静刚度分布较均匀,后排座椅安装横梁处变

形较大,该处的刚度有待进一步的加强。

图14摇白车身结构在弯曲载荷下的变形(单位mm)

由上述分析可知,采用粘贴方式安装风挡玻璃

可以显著提高车身结构的扭转静刚度,但对车身结

构的弯曲静刚度的增强效果不是很明显。产生这种

差异的主要原因为:在扭转工况下,前后风挡玻璃是

主要的承载部件;而在弯曲工况下,车身地板和前后

2014(Vol.36)No.12王超,等:风挡玻璃对车身结构刚度影响的研究·1543摇·

纵梁等结构是主要的承力结构,风挡玻璃的增强效

果不甚显著。

种现象的主要原因为:前后风挡玻璃对车身结构扭

转静刚度的增强效果基本相当,但是前风挡玻璃的

质量是后风挡玻璃的2郾1倍。

为验证上述有关风挡玻璃对车身结构固有振动

特性影响的相关结论的普遍性,现对另一款经济型

三厢轿车(Y轿车)进行固有振动特性分析。该款车

在开发过程中对白车身(BIW)和装有前后风挡玻璃

的车身(BIP)结构都进行了模态实验,经过与实验

结果的对比分析,得出有关风挡玻璃及其与窗框之

4摇车身结构固有振动特性分析

对车身结构进行固有振动特性分析,可较全面

地了解车身结构的刚度特性及其分布,发现车身结

构的局部薄弱构件,为各部件的选择与设计提供依

据。通过研究风挡玻璃对车身结构固有振动特性的

影响可以进一步明确车身结构设计需要重点关注的

整体振动特性。

在对X轿车白车身进行模态实验分析时,车身

结构中不包括副车架以及仪表盘梁。分析中为验证

所建模型的精度,对白车身结构的有限元模型做了

适当修正,以达到与实验时白车身状态相一致,然后

分析实验对比模型的固有振动特性,并对其建模精

度进行分析。为便于对比分析风挡玻璃对车身结构

动刚度性能的影响

BIP和BIP模型的固有振动特性

,还分析了BIW、FW_BIP、RW_

,结果如表6所示。

表6摇X轿车车身结构固有振动特性Hz

阶次1阶2阶3阶4阶5阶6阶

振型横向前端散热器支架行李箱支架

描述振动

1

向扭转

阶纵

横摆局部模态局部模态

1

向弯曲

阶垂

实验24郾330郾740郾946郾646郾654

对比模型25郾331郾541郾646郾846郾853郾1

FW_BIP

BIW25郾331郾

30

544郾46郾

40郾

42郾

6

445郾

846郾53郾

RW_BIP26郾

40郾

5

243郾

8

45郾

846郾

8

49郾

2

BIP—

1

45郾

7

8

8

52郾

7

49郾

5

4

由表可见:仿真分析结果与实验结果能够很好

吻合,说明所建立的白车身模型是满足分析精度要

求的;副车架和仪表盘梁对车身结构动刚度的增强

效果不明显;装有风挡玻璃的车身结构1阶弯曲振

动频率有所降低,说明风挡玻璃对车身结构弯曲振

动模态的作用主要体现在增加质量上;前风挡玻璃

对车身结构扭转振动的影响较小,这说明其前风挡

玻璃对车身结构扭转振动的刚度增强和质量增加效

果相当;后风挡玻璃对车身结构扭转振动的增强效

果显著,与白车身结构相比可以提高1阶扭转频率

达28郾57%,并且通过对BIP车身结构的固有振动特

性分析,进一步看出BIP结构扭转动刚度的增强基

本上完全是由后风挡玻璃提供的。分析发现产生这

间的装配结构的建模方法是满足精度要求的。Y轿

车的分析结果如表7所示,可以看出风挡玻璃对车

身结构的第

X

1

提高车身的扭转动刚度

轿车的分析结论基本一致

阶扭转和垂向弯曲振动的影响规律与

,使第

,后风挡玻璃可以显著

1阶扭转振动频率相

对于白车身结构提高了近18郾5%;通过该车型的分

析还可以看出,前风挡玻璃可大幅提高车身的侧向

弯曲动刚度,而后风挡玻璃对侧向弯曲动刚度的影

响则不太明显。

表7摇Y轿车车身结构固有振动特性Hz

阶次1阶2阶3阶4阶5阶6阶

振型行李箱支架散热器支架呼吸

描述

1

扭转

局部模态局部模态

1

向弯曲

阶侧

模态

1

向弯曲

阶垂

FW_BIP

BIW25郾

26郾

932郾

32郾

833郾

38郾

6

46郾

30郾

22

47郾

RW_BIP

BIP30郾

7

9

32郾

833郾

235郾

32郾

9

9

43郾

2

33郾

2

2

35郾

1

47郾

1

39郾

8

346郾5

47郾

1

47郾

4

5

5摇车身接头结构刚度的分析和评价

文献[8]中提出了子结构刚度灵敏度和承载系

数的概念。这里首先简单介绍这两个概念的基本含

义,然后利用这两个指标评价风挡玻璃对车身接头

结构刚度性能的影响。

5郾1摇子结构的刚度灵敏度

假设结构是线弹性的,且所施加的载荷不使结

构超出线弹性范围。将整体结构划分为N个互不相

交的子结构,则在该结构的有限元模型中,任一子结

构S

k

即为一组有限单元的集合。设在某给定载荷条

件下,结构发生变形后整体结构的应变能为U,而子

结构S

k

中所有单元的应变能之和为U

姿

k

,定义

k

式中姿

=U

k

/U(2)

k

是一无量纲的参数,反映整体结构刚度对子

·1544摇·汽摇车摇工摇程

J1J2J3

2014年(第36卷)第12期

J4J5J6J7

5郾2摇子结构的承载系数

结构优化设计的均匀应变能密度设计准则要

求,在结构的弹性变形范围内并保持结构刚度一定

的条件下,由相同弹性特性的材料所制成的最优结

构应该具有均匀的应变能密度分布,因此各个子结

构对整体结构刚度的贡献比例应该与其质量的比例

相一致。将子结构的应变能与其质量之比称为该结

构的质量平均应变能密度,简称为应变能密度。假

结构S

k

刚度的灵敏度。

表9摇在扭转载荷下各接头子结构的承载系数琢

k

BIW6郾20

0郾51

7郾89

0郾66

1郾34

1郾69

1郾61

2郾09

5郾93

7郾70

0郾91

1郾18

0郾59

0郾82

0郾64

1郾00

0郾55

0郾76

0郾75

0郾96

1郾32

1郾09

1郾65

1郾41

3郾95

0郾82

5郾39

1郾24

RW_BIP

BIP

FW_BIP

由表可见:不考虑风挡玻璃的影响时,与风挡玻

设整体结构的应变能密度为u,子结构S

k

的应变能

密度为u

k

载系数:

,则可定义一定载荷状态下子结构S

k

的承

k

=u

k

/u(3)

如果琢

k

变能密度,说明其承载水平高于整体结构的平均水

>1,即其应变能密度高于整体结构的应

平。因此,为使各个子结构的刚度与整体结构的刚

度相匹配,应将子结构适当加强或者将琢

k

构的刚度适当降低

=1,…,

,从而使对于任意的子结构

<1的子结

S

k

1。

(k

5郾3摇风挡玻璃对车身接头承载特性的影响

N

s

),其承载系数琢

k

都尽量趋近于

由于风挡玻璃对车身结构弯曲静刚度的影响不

甚明显,但是对扭转静刚度的影响非常显著,因此以

下有关车身接头刚度的分析均是基于扭转载荷条件

下进行的。

图15示出车身结构中的主要接头结构J1~J7。

采用子结构应变能分析方法,计算得到在扭转载荷

下车身结构各个接头的刚度灵敏度

8和表9所示。

姿

k

和承载系数

k

,如表

图15摇车身结构中的主要接头结构

表8摇扭转载荷下接头子结构的刚度灵敏度姿

k

BIW6郾

J1

96

J2J3

0郾

2郾6郾1郾

J4

8郾

552郾

13

2郾

578郾

66

2郾

912郾

J5

3郾

743郾

J6J7

%

RW_BIP

FW_BIP2郾

777郾

1郾

18

BIP0郾

66

693郾

50

11

1郾

27

1郾

00

24

2郾

55

3郾

03

05

3郾

58

4郾

61

46

4郾

98

3郾

63

78

9郾

43

2郾

59

12

璃安装框架相关的接头(如J1、J3、J7)的刚度灵敏度

和承载系数均较高,说明如果不采用粘贴的方式安

装风挡玻璃,这些接头的刚度都较弱,有待进一步加

强;考虑风挡玻璃的影响后,与风挡玻璃安装框架相

关的接头刚度灵敏度和承载系数均有大幅降低,这

将使各接头的受力趋于合理;与风挡玻璃不相关的

接头(J2、J4、J5、J6)的刚度灵敏度和承载系数受风

挡玻璃的影响不大;通过分析BIP车身上各个接头

的刚度灵敏度和承载系数,可以看出接头J2刚度偏

弱,应该对其进行进一步优化设计;另外,根据车身

16%

结构模型得到7个接头结构约占BIP车身总质量的

18郾

,并根据表8得到其对车身刚度

的原则

5%,

,

说明该车的设计还基本满足均匀能量密度

的贡献率达

但是如果不采用粘贴方式安装风挡玻璃,接

头结构对车身刚度的贡献将达到31%,大大提高了

接头的承载系数,这样会加大接头设计的难度。

6摇结论

响。副车架

(1)风挡玻璃对车身结构固有振动特性的影

、仪表盘梁对车身结构固有振动特性的

影响不大;风挡玻璃对车身结构的1阶弯曲振动的

作用主要体现在增加质量上,使车身结构的1阶弯

1

曲振动频率略有降低;前风挡玻璃对车身结构的第

阶扭转振动的影响较小

1阶扭转动刚度的增强效果显著

;后风挡玻璃对车身结构

,第1阶扭转振

动频率比白车身提高了28郾57%,并且通过对BIP车

身的分析,可以进一步看出车身的第1阶扭转动刚

度的增强基本上完全是由后风挡玻璃提供

(2)风挡玻璃对车身结构扭转静刚度的影响

在弯曲和扭转载荷下,风挡玻璃并不影响车身地板

沿车身纵向轴线的变形方式;采用粘贴方式安装风

挡玻璃可以显著提高车身结构的扭转静刚度;以白

车身为基准,前后风挡玻璃可以分别使车身的扭转

静刚度提高40%和30郾5%,BIP车身的扭转静刚度

2014(Vol.36)No.12王超,等:风挡玻璃对车身结构刚度影响的研究·1545摇·

可以比BIW车身提高82郾3%。

风挡玻璃对车身结构弯曲静刚度的增强效果有限,

装有风挡玻璃的车身结构前纵梁、门槛梁等处变形

略有减小,车身弯曲静刚度略有提高。

(4)风挡玻璃对车身接头承载特性的影响。考

(3)风挡玻璃对车身结构弯曲静刚度的影响。

LayersinDirectGlazingofRoadVehiclesforImprovedSoundAt鄄

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虑风挡玻璃的影响后,与风挡玻璃相关的接头(如

这将使各个接头的受力趋于合理;与风挡玻璃没有

J1、J3、J7)的刚度灵敏度和承载系数均会大幅降低,

装配关系的接头(J2、J4、J5、J6)的刚度灵敏度和承

载系数受风挡玻璃的影响不大

BIP

达18%

车身总质量的

;7个接头的质量占

,说明X轿车的车身结构基本满足均匀能量

16%左右,对车身刚度的贡献率

密度的原则,但是如果不采用粘贴的方式安装风挡

玻璃,接头对车身刚度的贡献率将达到30%左右,

大大提高了接头的承载系数,进而会加大接头的设

计难度。

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风挡玻璃对车身结构刚度影响的研究

作者:

作者单位:

刊名:

英文刊名:

年,卷(期):

王超, 吕振华, 吕毅宁, Wang Chao, L Zhenhua, L Yining

王超,吕振华,Wang Chao,L Zhenhua(清华大学汽车工程系,北京,100084), 吕毅宁,L

Yining(清华大学汽车工程系,北京 100084; 中国船级社技术研究开发中心,北京 100007)

汽车工程

Automotive Engineering

2014(12)

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