NVH理论基础 - 车身刚度

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车身刚度主要分为整体刚度和局部刚度，而车身刚度设计是车身NVH性能的基本要素。高刚度和轻量化指标成为车身开发中日益发展的趋势。与整车动力学相关的车身结构基本性能指标是车身刚度，与整车NVH性能、疲劳耐久和操稳性能密切相关。一般，通过合理的整车模态匹配和车身振型调制等方法，设计开发车身结构的整体和局部刚度，以达到良好的整车振动水平和操稳性能。

车身整体刚度的定义

车身整体刚度是指整个车身在受到外部力或载荷时的整体刚性。它反映了车身对应力的响应能力，即车身在承受振动或冲击力时的变形程度。整体刚度对于减少车身的共振和振动传递至车内空间以及降低噪音和震动的传递至乘客座舱非常重要。较高的整体刚度可以提高车辆的操控性和乘坐舒适度。

其中车身的整体弯曲与整体扭转是车身变形的两种主要形式，对应的刚度为：

弯曲刚度，外载荷与弯曲位移的比值，单位 N/mm；
扭转刚度，外扭矩与扭转角的比值，单位 KN.m/rad.

按照车身的分类，车身刚度又分为：白车身刚度，内饰车身刚度与整车刚度（均包含弯曲扭转刚度），一般在进行车身刚度仿真分析的过程中，我们主要从白车身入手，计算分析以及优化白车身的刚度，这是由于白车身是内饰车身与整车车身的基础，相当于把底子做好了，整车的整体刚度也不会差。

车身整体刚度降低带来的风险

振动传递：较低的整体刚度会使车身更容易发生振动，并且这些振动更容易传递到车内空间。这可能导致乘客感受到更多的震动和不适，影响乘坐舒适度。

噪音传递：低整体刚度会导致噪音更容易传递到车内。外部噪音，如发动机噪音、道路噪音等，会更容易进入车内空间，影响驾驶员和乘客的听觉体验。

结构变形：较低的整体刚度会使车身更容易发生变形。当车辆行驶在不平坦的路面上或经历冲击时，车身可能会出现扭曲或扭转，导致车身结构变形。这可能会引起异响、杂音或其他异常声音。

安全隐患：低整体刚度可能会降低车身的结构强度和稳定性，从而对车辆的安全性产生负面影响。在发生碰撞或意外情况时，车身可能无法提供足够的保护和稳定性。

车身局部刚度的定义

车身局部刚度是指车身不同部位的局部刚度水平。由于车身结构的复杂性，不同区域的刚度可能会有所差异。例如，车身的前部和后部通常需要较高的刚度以支撑引擎和悬挂系统，而车身的侧面则需要较高的刚度以提供侧向稳定性和抗侧翻能力。局部刚度的设计和优化可以提高车辆的结构强度和刚性，减少车身的变形和振动，从而提高乘坐舒适度和操控性。

图例：底盘安装位置设计V型管支撑提升局部刚度, 有利于改善NVH和平顺性。

车身刚度与NVH性能的关系

车身整体刚度不足，直接导致NVH性能的下降，它将带来很多其他的噪音振动问题，比如说低频轰鸣声。下图为汽车以 40km/h 速度在粗糙路面行驶，车身整体刚度与车内噪音的总体关系。从图可以看出，随着车身刚度的提高，车内噪音会降低。（该曲线只表示总体的关系，一般来说，随着车身刚度的提高，车身模态也会相应提高，当到达某一个值时，可能会出现整体模态与外界激励发生共振，形成波峰，NVH性能下降，当车身刚度继续上升，整体模态避开共振，NVH性能上升，因此理论上，以下曲线应该是一条波动下降的曲线，即曲线会由于共振存在波峰，但曲线总趋势是下降的。）

整体刚度和局部刚度是汽车车身设计中需要考虑的重要因素。它们的优化可以提高车辆的NVH性能，减少噪音和振动对乘客的影响，提高驾驶舒适度和安全性。车身设计师通常会使用各种计算和仿真工具，以及材料和结构优化方法，来实现整体刚度和局部刚度的最佳平衡。