CN111400817B - 模块化结构的汽车车架连接点确定方法与非承载式汽车车架和汽车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化结构的汽车车架连接点确定方法，用以确定为模块化结构的汽车车架上的车架车身连接点位置，且该确定方法包括建立车架结构三维模型；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。本发明还提供了由以上确定方法确定连接点的非承载式汽车车架和汽车。本发明的确定方法所确定的连接点位置能够实现车架和车身之间的大刚性连接，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

模块化结构的汽车车架连接点确定方法与非承载式汽车车架和汽车

技术领域

本发明涉及车辆设计开发技术领域，特别涉及一种模块化结构的汽车车架连接点确定方法。本发明还涉及一种由上述确定方法确定连接点位置的非承载式汽车车架，以及具有该车架的非承载式汽车。

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。

此时，对于具有车架结构的非承载式汽车车型来说，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，如何在车架上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非承载式汽车车架连接点确定方法，以可用于确定车架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：

一种模块化结构的汽车车架连接点确定方法，用以确定为模块化结构的汽车车架上的进行车架与车身间连接的连接点的位置，所述车架上的连接点为分散布置于车架不同区域的若干个，且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，建立车架结构三维模型；

S2、将所建立的车架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模态图；

S4、统计各阶频率所对应的车架模态图中的车架上各位置的模态值，以不同阶频率下车架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至所述车架所承载的动力输出装置的固有频率。

进一步的，所述动力输出装置为电机。

进一步的，所述车架上的各车架车身连接点位置为相对于所述车架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：

本发明的车架连接点确定方法，通过对车架模型进行仿真，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。

本发明的另一目的在于提出一种非承载式汽车车架，该车架为模块化结构，并于所述车架上装设有若干用以与车身连接的连接件，所述连接件位于由上述的确定方法所确定的车架与车身间连接点位置，且所述连接件为弹性连接件或刚性连接件。

进一步的，所述弹性连接件为悬置。

本发明的非承载式汽车车架通过将连接件布置于由上述确定方法所确定的连接点位置，可实现车架和车身之间的大刚度连接，使车架和车身间强度互补，由此能够使的车架与车身可作为整体承载受力，而有利于实现整车减重。

此外，本发明还提出了一种非承载式汽车，所述非承载式汽车具有如上所述的非承载式汽车车架。

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上连接点位置的分布示意图；

图中：

1-主纵梁，2-副纵梁，3-中部第一横梁，4-边横梁，5-中部第二横梁。

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

本实施例涉及一种模块化结构的汽车车架连接点确定方法，用以确定汽车中车架上的进行车架与车身间连接的连接点的位置。其中，本实施例的车架为模块化结构，且该车架上的用于车架和车身连接的连接点位置也为分散布置于车架不同区域的若干个，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。

而对于上述主体结构为板状的车架，其一种示例性结构如图1中所示，此时该车架具体包括主纵梁1、副纵梁2、中部第一横梁3、中部第二横梁5和边横梁4，且主纵梁1和副纵梁2均为两个，中部第一横梁3和中部第二横梁5均为四个，而边横梁4则为十二个。其中，两个主纵梁1互相平行且端部平齐，两个副纵梁2的轴线在同一条直线上且位于两个主纵梁1之间，副纵梁2的外端与主纵梁的1端部平齐，中部第一横梁3连接在副纵梁2与主纵梁1之间，也即每个副纵梁2的两侧各连接有一个中部第一横梁3。

此外，中部第二横梁5连接在两个主纵梁1之间，且位于两端的中部第二横梁5与副纵梁2的内端连接。四个中部第二横梁5均匀排布，边横梁4设置在两个主纵梁1的外侧，而边横梁4的位置与中部第一横梁3和中部第二横梁5的位置相对应，从而边横梁4的轴线与中部第一横梁3或中部第二横梁5在同一条直线上。

本实施例的车架通过采用模块式结构，对车架各个梁的单件模块进行优化统一，可减少车架组成部分的种类。而在生产时，只需生产相应种类的单件模块，然后在组装时将相应种类的模块按一定的位置组装起来即可完成整体车架的装配，进而能够提高车架及整车生产效率。

本实施例的车架结构，其上的诸如前后防撞梁总成、减震器安装塔总成，悬架安装结构以及其它常规部件安装结构均可参见现有成熟的汽车车架结构，在此将不再赘述。

而整体而言，对于本实施例的由交错横构件构成的车架，上述连接点位置的确定方法则包括有如下的步骤。

而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软件建立车架结构模型，也即绘制车架的三维模型图，并将建立的车架结构模型输出为.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格式的车架结构模型文件导入ANSA软件中，并利用ANSA软件对导入的车架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模态图中的车架上各位置的模态值，并以不同阶频率下车架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至车架上所承载的动力输出装置的固有频率，且该动力输出装置一般也为电机。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阶频率下的车架模态图。

经由NASTRAN软件仿真并输出各阶频率下的车架模态图后，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，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。

实施例二

本实施例涉及一种非承载式汽车车架，该车架为模块化结构，且其结构可参见于实施例一中的描述，在该车架上装设有若干用以与车身连接的连接件，且各连接件即位于车架上的由实施例一的确定方法所确定的车架与车身间连接点位置，同时，上述连接件为弹性连接件或刚性连接件，并于选择为弹性连接件时，所述的弹性连接件优选的可为悬置。

本实施例还涉及一种非承载式汽车，在该非承载式汽车上则设置有如上的非承载式汽车车架。

本实施例的非承载式汽车车架及汽车通过将连接件布置于由实施例一中的确定方法所确定的连接点位置，能够实现车架和车身之间的大刚度连接，使车架和车身间强度互补，由此可使的车架与车身可作为整体承载受力，有利于实现整车减重，而有着很好的实用性。

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 (13)

1.一种模块化结构的汽车车架连接点确定方法，用以确定为模块化结构的汽车车架上的进行车架与车身间连接的连接点的位置，其特征在于：所述车架上的连接点为分散布置于车架不同区域的若干个，且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，建立车架结构三维模型；

S2、将所建立的车架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模态图；

S4、统计各阶频率所对应的车架模态图中的车架上各位置的模态值，以不同阶频率下车架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所述的模块化结构的汽车车架连接点确定方法，其特征在于：所述车架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所述的模块化结构的汽车车架连接点确定方法，其特征在于：所述频率区间为1HZ至所述车架所承载的动力输出装置的固有频率。

4.根据权利要求3所述的模块化结构的汽车车架连接点确定方法，其特征在于：所述动力输出装置为电机。

5.根据权利要求1所述的模块化结构的汽车车架连接点确定方法，其特征在于：所述车架上的各车架车身连接点位置为相对于所述车架宽度中心线对称布置。

6.根据权利要求1所述的模块化结构的汽车车架连接点确定方法，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。

7.根据权利要求1所述的模块化结构的汽车车架连接点确定方法，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。

8.根据权利要求1所述的模块化结构的汽车车架连接点确定方法，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。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的模块化结构的汽车车架连接点确定方法，其特征在于：所述车架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。

10.根据权利要求9所述的模块化结构的汽车车架连接点确定方法，其特征在于：所述车型功能定义包括为乘用车或货用车。

11.一种非承载式汽车车架，其特征在于：该车架为模块化结构，并于所述车架上装设有若干用以与车身连接的连接件，所述连接件位于由权利要求1至10中任一项所述的确定方法所确定的车架与车身间连接点位置，且所述连接件为弹性连接件或刚性连接件。

12.根据权利要求11所述的非承载式汽车车架，其特征在于：所述弹性连接件为悬置。

13.一种非承载式汽车，其特征在于：所述非承载式汽车具有如权利要求11或12所述的非承载式汽车车架。

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