CN111400813B - 车架前端结构连接点确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车架前端结构连接点确定方法，用以确定车架前端的车架车身连接点位置，且该确定方法包括建立车架前端结构三维模型；将建立三维模型导入有限元处理软件进行有限元网格化处理并输出网格文件；将网格文件导入仿真软件中，定义仿真频率区间，并仿真各阶频率下的车架模态图；以及统计各阶车架模态图中的车架前端模态值，以不同阶模态图中各区域内低模态重合度最大的位置作为连接点的位置。本发明的确定方法所确定的连接点位置能够实现车架前端和车身之间的大刚性连接，实现车架和车身的强度互补，车架与车身可作为整体承载受力，而有利于实现整车减重设计。

Description

车架前端结构连接点确定方法

技术领域

本发明涉及车辆设计开发技术领域，特别涉及一种车架前端结构连接点确定方法。

背景技术

现有技术中，汽车车身结构主要分为承载式车身和非承载式车身两种。承载式车身没有单独承受外力的底盘结构，只是用车身支撑着各部件，也就是说整个车身作为一体，没有独立的大梁设计，悬挂通过副车架安装在车身上，车身的负载通过悬挂装置传给车轮。承载式车身结构重量小、车辆稳定性高，并有着成本低、重量轻，油耗低、舒适性好等优点，但非承载式结构也存在车身刚性较差，特别是抗对角扭曲刚性差等不足。

非承载式车身又称底盘大梁架，其有着独立的大梁、也即车架，并且会有专门的底盘受力结构，像发动机、传动等核心部件均设置于车架上。车架作为一个整体是支撑全车的基础，在这一整体结构之上，整个人员乘坐的车身部分则为另外一个整体。车架和上部的车身之间主要是用悬置连接，其就好比生活中的上下铺，底盘是下，车身部分是上，车身只承载驾乘人员的重力，不用考虑车身对车架承载所起的辅助作用。

非承载式车身的优点是有独立的车架，底盘强度较高，抗颠簸性能好，此外四个车轮受力再不均匀，也是由车架承担，而不会传递到车身上去，因此车厢变形小，平稳性和安全性好，而且厢内噪音低。但非承载式车身结构也存在比较笨重，汽车质心高，高速行驶稳定性较差的缺点，特别是其重量大，导致整车成本较高，以及汽车使用时油耗往往居高不下。

随着电气化技术的不断发展，以及石油资源的逐渐紧缺，电动汽车正逐步走向人们的生活中，而被愈来愈多的人接受，并且随着我国人们生活水平的提高，大空间、平稳性及安全性好的车型，例如SUV车型，正被越来越多的人所喜欢，因此电动SUV车型已悄然成为国内汽车市场的热门产品。

对于电动汽车而言，衡量其品质好坏的一个重要标准便是续航里程的长短，而电动汽车若想获得较高的续航里程，进行减重设计以追求轻量化是不能忽视的一个非常重要的手段。此时，对于具有车架结构的非承载式电动汽车车型来说，若能够进行车架与车身之间的较大刚性连接，以此提升车架和车身的连接刚度，使得车架与车身的强度互补实现贯通，从而达到类似于承载式车身结构的特点，是能够获得较好的整车减重效果的。

但目前针对于车架和车身之间的大刚度连接，例如车架前端与车身之间的连接，如何在车架前端确定与车身之间进行连接的连接点位置又成为一个难题，在现已公开的文献中均未见有涉及此方面的报道。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种车架前端结构连接点确定方法，以可用于确定车架前端结构上的与车身间进行大刚度连接的连接点位置。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种车架前端结构连接点确定方法，用以确定车架前端上的进行车架与车身间连接的连接点的位置，所述车架前端结构包括分设于两侧的纵梁，连接于各所述纵梁上的前减震器塔，连接于两侧所述纵梁前端之间的水箱安装架和防撞梁总成，以及于所述水箱安装架的后侧连接于两侧所述纵梁之间的前横梁，连接于两侧所述纵梁之间的电机，和分别设置于两侧的所述纵梁上的前悬架安装支架；

且所述车架前端结构上的连接点为分散布置于车架前端上不同区域的若干个，该连接点位置的确定方法包括如下的步骤：

S1、根据整车开发设计目标，建立车架前端结构三维模型；

S2、将所建立的车架前端结构三维模型导入有限元处理软件，利用有限元处理软件对车架前端结构三维模型文件进行有限元网格化处理，并输出网格化处理后的网格文件；

S3、将步骤S2输出的网格文件导入模态仿真软件中，定义仿真频率区间，利用模态仿真软件仿真车架前端模型在所述频率区间中的各阶频率下的车架模态，并输出每阶频率下的车架前端模态图；

S4、统计各阶频率所对应的车架前端模态图中的车架上各位置的模态值，以不同阶频率下车架前端模态图中各区域内低模态重合度最大的位置作为该区域的车架与车身间连接点的位置。

进一步的，所述车架前端结构三维模型可通过CATIA、UG或Pro/E建立，所述有限元处理软件为ANSA或HypermeSh，所述仿真软件为NASTRAN或 ABAQUS。

进一步的，所述频率区间为1HZ至所述车架前端结构所承载的电机的固有频率。

进一步的，所述车架前端上的各车架车身连接点位置为相对于所述车架前端结构宽度中心线对称布置。

进一步的，步骤S4中，作为车架车身连接点位置的为该区域内模态节点重合最多的位置。

进一步的，步骤S2中的有限元网格化处理包括如下的步骤：

S21、除去多余的包含点、线、圆角的几何图形；

S22、进行抽中面操作，并对中面进行网格划分；

S23、创建网格划分文件和质量检查文件生成网格，并检查网格质量、修正错误和质量差的网格；

S24、将网格与几何模型脱离，删除原始导入的车架结构模型文件，创建焊接单元和刚性节点，并定义材料厚度和包含弹性模量E、NU泊松比及RHO密度的材料属性，导出网格文件。

进一步的，步骤S3中的仿真包括如下的步骤：

S31、创建属性选择导入的网格文件生成的车架模型，定义材料厚度；

S32、将材料属性与材料厚度赋予车架模型；

S33、创建仿真环境，定义仿真频率区间；

S34、ND计算所述频率区间内阶次，创建控制指导计算环节求解器做相应计算命令，导出仿真的车架模态图。

进一步的，所述车架前端上可作为设置车架与车身间连接点的区域的至少满足如下的条件：易于所述车架成型，不影响所述车身造型，利于所述车架和所述车身之间装配，以及符合车型功能定义。

进一步的，所述车型功能定义包括为乘用车或货用车。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明的车架前端结构连接点确定方法，基于电机振动小的特性，通过对车架前端模型进行仿真，并以各区域内低模态重合度最大的位置作为连接点位置，由此能够以车架各区域内振动叠加最弱点作为车架和车身之间的连接点，从而藉由连接点振动弱小，可进行车架和车身之间的大刚度连接，实现车架和车身的强度互补，达到车架与车身可作为整体承载受力，而利于实现整车减重设计的效果。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的车架前端的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的车架前端的结构示意图；

图中：

101-纵梁，102-前减震器塔，103-溃缩梁，104-防撞梁总成，105-水箱安装架，106-支撑梁，107-减震器塔加强支架，108-前横梁，109-前底护板，1010- 支撑边梁，1011-加强梁，1012-悬置安装座，1013-前电机安装支架。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例涉及一种车架前端结构连接点确定方法，用以确定车架前端上的进行车架与车身间连接的连接点的位置。其中，结合于图1和图2中所示的，本实施例的车架前端结构包括位于两侧的纵梁101，固定连接在各侧纵梁101 上的前减震器安装塔102，以及连接于两侧的纵梁101前端之间的防撞梁总成 104，位于防撞梁总成104后侧的用于安装固定汽车水箱的水箱安装架105，和布置于水箱安装架105的下方且连接在两侧的纵梁101之间的前横梁108。

其中，防撞梁总成104可通过水箱安装架105与纵梁101的端部连接，防撞梁总成104也优选采用上下布置的两个防撞梁体，以获得对应于高低速碰撞下的良好保护。对应于上方的防撞梁体，在水箱安装架105与前减震器塔102 之间还设置有溃缩梁103，相对于溃缩梁103，在前减震器塔102的另一侧则设置有悬置安装座1012，通过前减震器塔102和悬置安装座1012实现溃缩梁103 向纵梁101的力传递。

本实施例的前端结构中，在水箱安装架105的顶部两端与两侧的前减震器塔102之间还连接有支撑边梁1010，且于两侧的支撑边梁1010的内侧，亦设置有同样连接在水箱安装架105和两侧的前减震器塔102之间的加强梁1011，加强梁1011的设置可提高水箱安装架105的稳固性。本实施例为提高两侧前减震器塔102设置的稳定性，并提高两者的结构刚度，在两个前减震器塔102的顶部之间连接有减震器塔加强支架107，而靠近于两侧前减震器塔102的底部则也连接有支撑梁106。

本实施例中，在两侧的旋转安装座1012上亦分别固连有前电机安装支架 1013，车架前端结构处的电机即固定连接在两侧的前电机安装支架1013之间，并以此实现与两侧纵梁101的直接固连。另外，在车架前端结构的底部，于两侧的纵梁101之间还设置有固定在前横梁108上的前底护板109。而于纵梁101 上也设置有用于前悬架中的摆臂等连接的悬架连接支架，这些悬架连接支架的结构及其布置均参见现有麦佛逊悬架设置形式便可，在此不再赘述。

本实施例该车架前端结构上的用于车架和车身连接的连接点位置为分散布置于车架前端结构上不同区域的若干个，以可通过在多个不同位置的连接，实现车架与车身之间稳定及可靠的连接，进而形成完整的车体结构。

同时，基于以上的车架结构介绍，整体而言，本实施例的上述连接点位置的确定方法包括有如下的步骤。且在介绍下述的连接点位置确定步骤之前，首先需要说明的是，对于车架前端结构三维模型的建立其可通过CATIA、UG或 Pro/E进行，有限元网格划分的操作可通过ANSA或HypermeSh进行，模态仿真则可通过NASTRAN或ABAQUS进行。而本实施例中则具体以采用CATIA 建模，以ANSA做有限元网格划分，并以NASTRAN进行车架模态仿真作为示例，从而对整个确定方法进行说明。

本实施例的连接点位置确定方法的具体步骤为：

步骤S1、建模步骤：根据整车开发设计目标，通过CATIA软件建立车架前端结构模型，也即绘制车架前端的三维模型图，并将建立的车架前端结构模型输出为.Stp格式的车架结构模型文件；

步骤S2、网格化处理步骤：将步骤S1中导出的.Stp格式的车架前端结构模型文件导入ANSA软件中，并利用ANSA软件对导入的车架前端模型文件进行有限元网格化处理，且输出网格化处理后的网格文件；

步骤S3、仿真步骤：将步骤S2输出的网格文件导入NASTRAN软件中，定义仿真频率区间后，利用NASTRAN软件仿真车架前端模型在该频率区间中的各阶频率下的车架模态，且输出每阶频率下的车架前端模态图；

步骤S4、分析确定步骤：统计NASTRAN软件输出的各阶频率所对应的车架前端模态图中的车架前端上各位置的模态值，并以不同阶频率下车架前端模态图中各区域内低模态重合度最大的位置作为该区域的车架与车身间连接点的位置，由此得到整个车架前端结构上不同区域处的作为车架车身间连接点的位置。

对于以上的确定步骤，详细来说，整车开发设计目标即车型预研完成后所确定的车型的基本架构，以及各部分与总成的设计目标和基于该目标下的结构参数，由上述架构和各项参数可实现车架前端三维数模的建立。

而对于步骤S2中的有限元网格化处理，其则具体包括有如下的步骤。

步骤S21：除去多余的包含点、线、圆角的几何图形；

步骤S22：进行抽中面操作，并对中面进行网格划分；

步骤S23：创建网格划分文件和质量检查文件生成网格，并检查网格质量、修正错误和质量差的网格；

步骤S24：将网格与几何模型脱离，删除原始导入的车架结构模型文件，创建焊接单元和刚性节点，并定义材料厚度和包含弹性模量E、NU泊松比及 RHO密度的材料属性，然后导出处理后的网格文件。

通过以上步骤的逐步执行，即得到经有限元网格化处理后的车架前端模型文件，然后便可将其导入NASTRAN软件中以进行模态仿真。此时，对于步骤 S3的仿真处理，首先需说明的是，仿真时定义的频率区间具体为1HZ至车架前端结构上所承载的电机的固有频率。而此处的起始频率1HZ，则是由于汽车的驾乘者的频率，也即人体的频率一般在1-1.6HZ，故从1HZ开始进行对车架模态的仿真。

此外，本实施例中步骤S3的仿真处理亦具体包括有如下的步骤。

步骤S31：创建属性选择导入的网格文件生成的车架前端模型，定义材料厚度；

步骤S32：将材料属性与材料厚度赋予车架模型；

步骤S33：创建仿真环境，定义仿真频率区间；

步骤S34：ND计算所述频率区间内阶次，创建控制指导计算环节求解器做相应计算命令，导出仿真的对应于各阶、也即一阶、二阶至N阶频率下的车架前端模态图。

经由NASTRAN软件仿真并输出各阶频率下的车架前端模态图后，便可执行对各阶模态图的统计分析，以确定各区域中连接点的位置。其具体而言，以其中某一区域为例，不同阶频率下，该区域内各处的模态值可能均不相同，或者至少会在一些阶频率下会有着不同的模态量，因此汇总统计该区域内所有位置的模态值，并将各阶模态图进行相互的比对，便可得到所有阶模态图中同一区域内低模态重合度最大的位置，该位置也即为该区域中的用作车架与车身间连接的连接点位置。

本实施例中，作为对步骤S4的进一步补充说明，对于上述的以低模态重合度最大的位置作为车架车身见连接点位置这一限定，作为其中所包含的一种最优的方式，可设置选择所述区域内模态节点、也即模态振型系数为零的点重合最多的位置作为连接点位置，此时将连接点确定在最多节点重合的位置，可获得更好的车架、车身连接效果。

而除了上述的建模-网格化-仿真-统计分析以确定连接点位置的具体步骤，本实施例在车架上连接点位置的确定上，还应考虑的是，一般车架前端上所确定的各车架与车身间连接点位置优选的应为相对于该车架宽度中心线对称布置。此外，对于前述的车架上可布置连接点的区域的选择，其也应至少满足如下的条件：易于所述车架成型，不影响所述车身造型，利于所述车架和所述车身之间装配，以及符合车型功能定义。

其中，上述车型功能定义包括为乘用车或货用车，而考虑车型的功能定义则是因为不同的车型其所对应的连接点位置，以及连接点的数量会有所不同。例如以乘用车来说，由于乘用车更多的要考虑舒适性，所以就需要下车体振动及噪音更少的传递至机舱，故车架上的连接点应采用例如悬置的弹性结构，且连接点的数量也尽可能的要多。而以货用车，例如皮卡车来说，由于其主要考虑载重因素，所以其后货箱要求稳定性，而对舒适性要求较低，故对于皮卡车的后货箱部分连接点则可采用例如螺栓的直接刚性连接，且连接点根据载重量设计选取便可。

另外，仍需要指出的是，本实施例上述的基于易于所述车架成型、不影响所述车身造型、利于所述车架和所述车身之间装配，及符合车型功能定义等条件而对车架上布置连接点的区域做出选择，其并不是确定车架和车身连接点位置所必须的，也就是说，在进行连接点位置的确定时，可不考虑以上条件，而任意指定各区域，并由前述的确定步骤最终找到不同区域的连接点位置。

但是出于不影响车架结构，不影响车身造型，以及有助于提高车身和车架连接便利性，并能够有效减小激励源对机舱影响等角度的考虑，也即从有利于整车开发进程和有助于提升整车品质触发，通过以上条件初步选出车架上适宜于布置连接点的区域，然后在结合本实施例的确定步骤最终确定合适的连接点是很有必要的。

本实施例中，经由以上确定步骤而于该车架前端结构上所确定的连接点位置可如图1或图2中的D1、D2所示。在通过本实施例的确定步骤，以确定各连接点位置后，即可视车型不同通过诸如悬置等弹性连接结构或螺栓等刚性连接结构进行车架和车身之间的连接。而由于各区域的连接点均为车架低模态或节点位置，从而能够以车架各区域内振动叠加最弱点作为车架和车身之间的连接点，从而由连接点振动的弱小，可进行车架和车身之间的大刚度连接，实现车架和车身的强度互补，达到车架与车身可作为整体承载受力，而利于实现整车减重设计的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种车架前端结构连接点确定方法，用以确定车架前端上的进行车架与车身间连接的连接点的位置，其特征在于：所述车架前端结构包括分设于两侧的纵梁，连接于各所述纵梁上的前减震器塔，连接于两侧所述纵梁前端之间的水箱安装架和防撞梁总成，以及于所述水箱安装架的后侧连接于两侧所述纵梁之间的前横梁，连接于两侧所述纵梁之间的电机，和分别设置于两侧的所述纵梁上的前悬架安装支架；

且所述车架前端结构上的连接点为分散布置于车架前端上不同区域的若干个，该连接点位置的确定方法包括如下的步骤：

S1、根据整车开发设计目标，建立车架前端结构三维模型；

S2、将所建立的车架前端结构三维模型导入有限元处理软件，利用有限元处理软件对车架前端结构三维模型文件进行有限元网格化处理，并输出网格化处理后的网格文件；

S3、将步骤S2输出的网格文件导入模态仿真软件中，定义仿真频率区间，利用模态仿真软件仿真车架前端模型在所述频率区间中的各阶频率下的车架模态，并输出每阶频率下的车架前端模态图；

S4、统计各阶频率所对应的车架前端模态图中的车架上各位置的模态值，以不同阶频率下车架前端模态图中各区域内低模态重合度最大的位置作为该区域的车架与车身间连接点的位置。

2.根据权利要求1所述的车架前端结构连接点确定方法，其特征在于：所述车架前端结构三维模型可通过CATIA、UG或Pro/E建立，所述有限元处理软件为ANSA或HypermeSh，所述仿真软件为NASTRAN或ABAQUS。

3.根据权利要求1所述的车架前端结构连接点确定方法，其特征在于：所述频率区间为1HZ至所述车架前端结构所承载的电机的固有频率。

4.根据权利要求1所述的车架前端结构连接点确定方法，其特征在于：所述车架前端上的各车架车身连接点位置为相对于所述车架前端结构宽度中心线对称布置。

5.根据权利要求1所述的车架前端结构连接点确定方法，其特征在于：步骤S4中，作为车架车身连接点位置的为该区域内模态节点重合最多的位置。

6.根据权利要求1所述的车架前端结构连接点确定方法，其特征在于：步骤S2中的有限元网格化处理包括如下的步骤：

S21、除去多余的包含点、线、圆角的几何图形；

S22、进行抽中面操作，并对中面进行网格划分；

S23、创建网格划分文件和质量检查文件生成网格，并检查网格质量、修正错误和质量差的网格；

S24、将网格与几何模型脱离，删除原始导入的车架结构模型文件，创建焊接单元和刚性节点，并定义材料厚度和包含弹性模量E、NU泊松比及RHO密度的材料属性，导出网格文件。

7.根据权利要求1所述的车架前端结构连接点确定方法，其特征在于：步骤S3中的仿真包括如下的步骤：

S31、创建属性选择导入的网格文件生成的车架模型，定义材料厚度；

S32、将材料属性与材料厚度赋予车架模型；

S33、创建仿真环境，定义仿真频率区间；

S34、ND计算所述频率区间内阶次，创建控制指导计算环节求解器做相应计算命令，导出仿真的车架模态图。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的车架前端结构连接点确定方法，其特征在于：所述车架前端结构上可作为设置车架与车身间连接点的区域的至少满足如下的条件：易于所述车架成型，不影响所述车身造型，利于所述车架和所述车身之间装配，以及符合车型功能定义。

9.根据权利要求8所述的车架前端结构连接点确定方法，其特征在于：所述车型功能定义包括为乘用车或货用车。

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