一种整车环境下商用车车架结构轻量化设计方法与流程

本发明涉及汽车，尤其涉及一种整车环境下商用车车架结构轻量化设计方法。

背景技术：

1、汽车轻量化设计作为提高燃油经济性、实现节能减排、提升操控体验和产品市场竞争力的重要手段，已成为当前汽车制造企业的重点关注方向。车架作为商用车底盘中的重要构件，承受着因运动产生的弯扭矩和路面不平带来的随机激励，其轻量化设计的合理与否直接影响结构的强度、模态以及疲劳耐久等性能，进而影响到整车的行驶平顺性、操纵稳定性、nvh、被动安全性等多项性能。因此开展商用车车架轻量化设计具有重大意义。

2、当前商用车车架的轻量化设计方法存在一定的局限性，在于其建立车架有限元模型进行分析时，仅将单一或部分零部件作为轻量化设计域进行优化计算，将其它零部件的作用简化为边界条件及载荷参数。这种轻量化设计方式在建模上较为方便，但是简化的边界条件与实际的工程连接情况存在一定误差，单独结构与整车环境下结构的静动态特性存在明显差异。单独结构优化方案在整车环境下可能并非最优，需要结合整车环境下多目标、多工况的优化方法，通过多目标协同优化和仿真验证，才能得到更符合整车性能要求的轻量化方案。因此在整车环境下开展车架轻量化设计具有重大工程意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足从而提供一种整车环境下商用车车架结构轻量化设计方法，基于能够考虑车架柔度影响的整车刚柔耦合动力学模型，通过车架边界与载荷条件的自动满足，确保求解过程中商用车结构性能指标更加精确和可靠，能够得出更加贴近实际应用的轻量化设计方案，为商用车车架设计提供了更为科学和高效的解决方案。

2、本发明是采用如下技术方案来实现的：

3、一种整车环境下商用车车架结构轻量化设计方法，包括如下步骤：

4、s1，针对商用车特性，确立车架轻量化设计要素，包括优化目标、优化变量和约束条件；

5、s2，根据商用车拓扑关系，建立整车多刚体动力学模型；

6、s3，建立车架有限元模型，并进行参数化操作，输入优化变量，输出优化目标；

7、s4，建立整车刚柔耦合动力学模型，在整车环境下进行商用车结构性能分析，将商用车结构性能分析结果作为约束条件；

8、s5，判断车架降重是否满足设计要求，同时判断商用车结构性能是否满足设计要求；若不满足，则重新获取新一组参数进行迭代计算；若满足，则输出车架轻量化设计方案。

9、作为发明的进一步说明，步骤s1包括：

10、优化变量包括车架形貌尺寸、车架横梁空间位置、车架横纵梁厚度和车架材料；

11、优化目标包括车架质量；

12、约束条件包括车架结构强度、车架约束模态、车架疲劳寿命和整车等效刚度。

13、作为发明的进一步说明，步骤s2包括：

14、应用计算机软件，建立整车多刚体动力学模型，包括驾驶室系统、动力总成系统、车架系统、前后悬架系统、转向系统和轮胎；

15、将驾驶室系统、动力总成系统、车架系统、前后悬架系统、转向系统和轮胎作为关键子系统，对子系统内部及各子系统之间通过约束副建立连接关系。

16、作为发明的进一步说明，步骤s3包括：

17、应用计算机软件，建立车架有限元模型，并进行参数化操作，输入车架形貌尺寸、和/或车架横梁空间位置、和/或车架横纵梁厚度、和/或车架材料实现车架零部件变更，同时保持变更零部件与关联零部件的拓扑连接关系，生成更新后的的车架有限元模型，进行输出更新后的车架质量；

18、将车架系统与关联子系统的连接位置处及力作用点处定义超单元作为自由度缩减边界。

19、作为发明的进一步说明，步骤s4包括：

20、s41：基于车架有限元模型，应用模态综合法求解车架模态中性文件及车架模态应力文件；基于整车多刚体动力学模型，读取车架模态中性文件，替换车架系统以及车架系统与关联子系统之间的连接关系，进而建立整车刚柔耦合动力学模型。

21、作为发明的进一步说明，步骤s4还包括：

22、s42：基于整车刚柔耦合动力学模型，施加力载荷或路面激励，获取车架结构刚度分析结果；

23、s43：开展模态分析，获取车架约束模态分析结果及振型动画；

24、s44：施加路面激励，输出不同路面工况下的车架模态位移文件；基于模态应力恢复理论，将车架模态应力文件和车架模态位移文件进行叠加，获取车架应力时间历程；采用雨流计数法统计应力循环次数；根据s-n方法计算车架各节点的疲劳寿命，比较车架各节点疲劳寿命，并将最小值作为车架疲劳寿命；

25、s45：施加力载荷，使整车处于扭转状态，获取整车等效扭转刚度；以及施加力载荷，使整车处于弯曲工况，获取整车等效弯曲刚度；进而获取整车系统刚度分析结果。

26、作为发明的进一步说明，步骤s45包括：

27、约束轮心端的六个自由度，在左右纵梁下翼面位于前悬支座区域内各取等量节点，每个节点施加力，左侧纵梁加载力方向向下，右侧纵梁加载力方向向上，使整车处于扭转状态，获取车架在施加的作用截面平面的扭转角，即可获取整车等效扭转刚度；

28、在左右纵梁上翼面位于前轴与后桥的中间位置各取等量节点，每个节点施加力，加载力方向向下，使整车处于弯曲工况，获取车架上加力点在垂向方向上的位移，即可获取整车等效弯曲刚度。

29、作为发明的进一步说明，步骤s5包括：

30、应用寻优算法，获取新一组参数，更新车架有限元模型后继续进行迭代计算。

31、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

32、（1）本发明建立了整车刚柔耦合动力学模型，通过车架边界和载荷条件的自动满足，提升车架结构强度、约束模态以及疲劳寿命等性能指标的精确度和可靠性，提升整体设计品质；

33、（2）本发明编写脚本实现了有限元模型参数修改、模态中性文件生成与输出、刚柔耦合动力学模型建立、结构强度分析、约束模态求解、模态位移输出、结构疲劳耐久性能分析以及整车等效刚度求解等仿真自动化，为车架轻量化工作奠定基础；

34、（3）本发明应用多目标优化技术提升商用车车架结构设计的稳健性，缩短设计、调试周期，提高产品开发工作效率；

35、（4）本发明适用于各种结构形式的商用车车架结构，且适用于其它结构件的轻量化设计工作。

1.一种整车环境下商用车车架结构轻量化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的整车环境下商用车车架结构轻量化设计方法，其特征在于，步骤s1包括：

3.如权利要求2所述的整车环境下商用车车架结构轻量化设计方法，其特征在于，步骤s2包括：

4.如权利要求3所述的整车环境下商用车车架结构轻量化设计方法，其特征在于，步骤s3包括：

5.如权利要求4所述的整车环境下商用车车架结构轻量化设计方法，其特征在于，步骤s4包括：

6.如权利要求5所述的整车环境下商用车车架结构轻量化设计方法，其特征在于，步骤s4还包括：

7.如权利要求6所述的整车环境下商用车车架结构轻量化设计方法，其特征在于，步骤s45包括：

8.如权利要求7所述的整车环境下商用车车架结构轻量化设计方法，其特征在于，步骤s5包括：