CN114741936B - 一种车架刚度优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于车架结构设计技术领域，公开了一种车架刚度优化方法，通过设定车架参数的范围，弯曲刚度目标值以及扭转刚度目标值，在车架参数的范围内选取车架参数值，建立三维模型并进行网格划分，确定边界条件，以计算弯曲刚度值和扭转刚度值，当弯曲刚度值和扭转刚度值均满足设计要求，即弯曲刚度值不小于弯曲刚度目标值，且扭转刚度值不小于扭转刚度目标值时输出车架参数值，从而得到能够满足设计要求的车架参数值。通过将车架纵梁的断面尺寸和长度，横梁的断面尺寸和长度，以及每个横梁相对于纵梁的位置等设计参数均纳入考虑范围内，从而使经过计算得到的车架参数值更加符合实际设计需求。

Description

一种车架刚度优化方法
技术领域
本发明涉及车架结构设计技术领域，尤其涉及一种车架刚度优化方法。
背景技术
车架结构设计过程中，需要保证车架具有合适的刚度，以保证车架在各种使用工况下，各个零件应力都在合理的范围内，从而减少车身的变形量，提升整车行驶的平顺性。
传统的车架***刚度计算主要通过人工计算，费时费力。现有技术提供了采用有限元分析软件进行车架***刚度计算的方法，但由于车架***的设计变量较多，现有的分析方法未能完全考虑所有的设计变量，导致参数考虑不全面，较难计算得到最优解。
因此，亟需一种车架刚度优化方法，以解决上述问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，本发明提供一种车架刚度优化方法，考虑车架的多种参数对车架弯曲刚度以及扭转刚度的影响，使经过计算得到的车架参数值更加符合实际设计需求。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种车架刚度优化方法，通过车架实施，上述车架包括两个平行且间隔设置的纵梁以及设置于两个上述纵梁之间的多个横梁，多个上述横梁平行且间隔设置，且任意上述横梁的两端均分别连接于两个上述纵梁，两个上述纵梁用于与悬架连接；
包括：
S100：设定车架参数的范围，弯曲刚度目标值以及扭转刚度目标值；
上述车架参数包括上述纵梁的断面尺寸和长度，上述横梁的断面尺寸和长度，以及每个上述横梁相对于上述纵梁的位置；
S110：在上述车架参数的范围内选取车架参数值；
S120：根据上述车架参数值建立三维模型；
S130：对上述三维模型进行网格划分；
S140：确定边界条件；
上述边界条件包括上述纵梁与上述悬架连接处的自由度、载荷和挠度，以及作用于上述纵梁的集中载荷；
S150：依据上述三维模型计算弯曲刚度值和扭转刚度值；
S160：确定上述弯曲刚度值不小于上述弯曲刚度目标值，且上述扭转刚度值不小于上述扭转刚度目标值；
S200：输出上述车架参数值。
作为一种车架刚度优化方法的优选方案，S150包括：
S1501：将上述三维模型代入有限元求解器计算上述集中载荷的作用点处的挠度；
S1502：根据公式EI＝FL3/48f计算弯曲刚度值，式中：EI为弯曲刚度值，F为作用于上述纵梁的集中载荷，L为前桥与后桥之间沿车辆行驶方向的间距，f为上述集中载荷的作用点处的挠度。
作为一种车架刚度优化方法的优选方案，
S1501还包括：将上述三维模型代入有限元求解器计算上述纵梁的最大扭矩；
S1502还包括：根据公式GI＝TL/θ计算扭转刚度值，式中：GI为扭转刚度值，T为上述纵梁的最大扭矩，θ为车架扭转角。
作为一种车架刚度优化方法的优选方案，S110包括：
S1101：输入上述车架参数值的最小精度；
S1102：在上述车架参数的范围内对所有上述车架参数值进行穷举以形成车架参数表，上述车架参数表包含全部的上述车架参数值；
S1103：在上述车架参数表内选取上述车架参数值。
作为一种车架刚度优化方法的优选方案，S160包括：
S1601：比较上述弯曲刚度值与上述弯曲刚度目标值的大小；
若上述弯曲刚度值不小于上述弯曲刚度目标值，则执行S1602；
S1602：比较上述扭转刚度值与上述扭转刚度目标值的大小；
若上述扭转刚度值不小于上述扭转刚度目标值，则执行S200。
作为一种车架刚度优化方法的优选方案，S1601还包括：
若上述弯曲刚度值小于上述弯曲刚度目标值，则执行S300；
上述车架刚度优化方法还包括S300；
S300：确定上述车架参数表内存在未经计算的上述车架参数值，在未经计算的上述车架参数值中重新选取上述车架参数值，执行S120。
作为一种车架刚度优化方法的优选方案，S1602还包括：
若上述扭转刚度值小于上述扭转刚度目标值，则执行S300。
作为一种车架刚度优化方法的优选方案，S300包括：
S3001：在上述车架参数表内标记当前的上述车架参数值、上述弯曲刚度值以及上述扭转刚度值；
S3002：判断上述车架参数表内是否还有未标记的上述车架参数值，若有未标记的上述车架参数值，则执行S3003；
S3003：在未标记的上述车架参数值中选取新的上述车架参数值，执行S120。
作为一种车架刚度优化方法的优选方案，S3002还包括：
若无未标记的上述车架参数值，则执行S3004；
S3004：比较上述车架参数表内所有已标记的上述弯曲刚度值的大小以及上述扭转刚度值的大小，输出上述弯曲刚度值最大时的上述车架参数值以及上述扭转刚度值最大时的上述车架参数值。
作为一种车架刚度优化方法的优选方案，S3002还包括：
若无未标记的上述车架参数值，则执行S3005；
S3005：输出警报信息。
本发明的有益效果是：
在车架参数的范围内选取车架参数值，建立三维模型并进行网格划分，确定边界条件，以计算弯曲刚度值和扭转刚度值，当弯曲刚度值和扭转刚度值均满足设计要求，即弯曲刚度值不小于弯曲刚度目标值，且扭转刚度值不小于扭转刚度目标值时输出车架参数值，从而得到能够满足设计要求的车架参数值。通过将车架纵梁的断面尺寸和长度，横梁的断面尺寸和长度，以及每个横梁相对于纵梁的位置等设计参数均纳入考虑范围内，从而使经过计算得到的车架参数值更加符合实际设计需求。
附图说明
图1是本发明实施例中车架的结构示意图；
图2是本发明实施例中车架刚度优化方法的流程图一；
图3是本发明实施例中车架刚度优化方法的流程图二。
图中：
1、纵梁；2、横梁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
车架结构设计过程中，需要保证车架具有合适的刚度，而传统方法针对车架***刚度计算主要通过人工计算，费时费力。现有技术提供了采用有限元分析软件进行车架***刚度计算的方法，但由于车架***的设计变量较多，现有的分析方法未能完全考虑所有的设计变量，导致参数考虑不全面，较难计算得到最优解。
针对上述问题，本实施例提供一种车架刚度优化方法，充分考虑车架的多种参数对车架弯曲刚度以及扭转刚度的影响，使经过计算得到的车架参数值更加符合实际设计需求，可用于车架结构设计技术领域。
图1是本发明实施例中车架的结构示意图。参照图1，车架刚度优化方法通过车架实施，具体而言，车架包括两个平行且间隔设置的纵梁1以及设置于两个纵梁1之间的多个横梁2，多个横梁2平行且间隔设置，且任意横梁2的两端均分别连接于两个纵梁1，两个纵梁1用于与悬架连接。
图2示出本发明实施例中车架刚度优化方法的流程图一。参照图1-图2，车架刚度优化方法包括以下主要步骤。
S100：设定车架参数的范围，弯曲刚度目标值以及扭转刚度目标值。
车架参数包括纵梁1的断面尺寸和长度，横梁2的断面尺寸和长度，以及每个横梁2相对于纵梁1的位置。其中，纵梁1的断面尺寸是纵梁1的截面形状以及截面形状的尺寸参数，可以指某一种具体的参数，也可以是多个参数的组合，例如当纵梁1为矩形时，纵梁1的断面尺寸指断面的宽度以及高度，再例如当纵梁1为工字形时，纵梁1的断面尺寸指断面整体的宽度、高度以及两侧凹槽的槽深、槽宽等参数。横梁2的断面尺寸是横梁2的截面形状以及截面形状的尺寸参数，其与纵梁1类似，不再赘述。每个横梁2相对于纵梁1的位置参数可通过坐标来表现，可选地，将一条纵梁1的一端作为原点，以纵梁1的长度方向为X轴，横梁2的长度方向为Y轴，以同时垂直于X轴和Y轴的方向作为Z轴，将横梁2的两端与对应纵梁1的连接处用坐标进行表示。车架参数的范围应根据实际情况合理设置，充分考虑车辆的悬架***以及制动***的参数以及规格。此外，弯曲刚度目标值以及扭转刚度目标值也应当根据车架参数的范围和车架可用的材料合理设置，弯曲刚度目标值以及扭转刚度目标值过大可能会导致在车架参数的范围内无法求得最优解。通过将车架的纵梁1的断面尺寸和长度，横梁2的断面尺寸和长度，以及每个横梁2相对于纵梁1的位置等设计参数均纳入考虑范围内，从而使经过计算得到的车架参数值更加符合实际设计需求，容易计算得到最优解。
S110：在车架参数的范围内选取车架参数值。
对于每一个车架参数，均在对应的车架参数的范围内选取初始值，组合得到作为初始值的车架参数值。
S120：根据车架参数值建立三维模型。
根据上述车架参数值建立三维模型，得到初始的三维模型，该三维模型可通过CATIA、3ds MAX等三维建模软件建立，或者是通过其他建模软件建立，通过转化格式以使用所需的三维建模软件打开。当车架参数发生变化而需要对三维模型进行修改时，可通过手动修改的方式重新建模，也可以通过相关计算机程序修改模型的参数以完成三维模型的修改，此类计算机程序已在工程建模中得到广泛应用，在此不再详细说明。
S130：对三维模型进行网格划分。
S140：确定边界条件。
为上述三维模型添加约束和载荷。边界条件包括纵梁1与悬架连接处的自由度、载荷和挠度，也就是说，纵梁1与悬架连接处的受力信息和发生的位移是预先设定好的，其可以作为已知量进行后续步骤的计算或得到后续计算所需要的参数。边界条件还包括作用于纵梁1的集中载荷，集中载荷的参数信息包括集中载荷的大小、方向以及位置坐标，在本实施例中，预先设定载荷的大小，方向垂直于纵梁1和横梁2，也就是沿Z轴方向，载荷一般作用于纵梁1的中间段，以符合实际工况，当然，也可根据实际需要作用于其它位置。
S150：依据三维模型计算弯曲刚度值和扭转刚度值。
该步骤一般采用有限元求解器进行，具体地，S150包括：
S1501：将三维模型代入有限元求解器计算集中载荷的作用点处的挠度以及纵梁1的最大扭矩；
有限元求解器包括ABAQUS或ANSYS等有限元分析软件，对三维模型进行求解后，得到车架的纵梁1以及横梁2所发生的形变，也就是纵梁1与横梁2部分位置发生的位移量大小，进而可求得集中载荷的作用点处的挠度。当载荷作用于纵梁1的中间段时，纵梁1的最大扭矩一般位于纵梁1与悬架的连接处。
S1502：根据公式EI＝FL3/48f计算弯曲刚度值，式中：EI为弯曲刚度值，F为作用于纵梁1的集中载荷，L为前桥与后桥之间沿车辆行驶方向的间距，f为集中载荷的作用点处的挠度；
根据公式GI＝TL/θ计算扭转刚度值，式中：GI为扭转刚度值，T为纵梁1的最大扭矩，θ为车架扭转角。
其中，作用于纵梁1的集中载荷F已在确定边界条件时输入，前桥与后桥之间沿车辆行驶方向的间距L为车辆的设计参数，由于有限元求解器已求得集中载荷的作用点处的挠度f，根据公式即可计算出车架的弯曲刚度值。纵梁1的最大扭矩T已通过有限元求解器求得，车架扭转角θ通过纵梁1与悬架连接处的位移除以车架宽度得到，由于纵梁1与悬架连接处的挠度已知，可得到纵梁1与悬架连接处的位移，而车架宽度即为两个纵梁1之间的距离，在选取车架参数值时即可确定，从而可计算出车架扭转角θ，并根据公式计算出车架的扭转刚度值。
S160：确定弯曲刚度值不小于弯曲刚度目标值，且扭转刚度值不小于扭转刚度目标值；
也就是确定车架经过计算后的弯曲刚度值能够达到目标设计要求，扭转刚度值能够达到目标设计要求，此时的三维模型对应的车架参数值可满足设计需求。
S200：输出车架参数值。
将满足设计需求的车架参数值输出。
图3是本发明实施例中车架刚度优化方法的流程图二，参照图1-图2，车架刚度优化方法包括以下详细步骤。
S100：设定车架参数的范围，弯曲刚度目标值以及扭转刚度目标值。
S110：在车架参数的范围内选取车架参数值。具体而言，S110包括S1101-S1103：
S1101：输入车架参数值的最小精度。
设定各个车架参数的最小精度，从而使每种车架参数值在对应的参数范围内数量有限，可通过穷举的方法全部列举，以便于后续的参数选取和计算。
S1102：在车架参数的范围内对所有车架参数值进行穷举以形成车架参数表；
根据上述车架参数的最小精度，将车架参数范围内的所有车架参数值进行穷举，使车架参数表包含全部的车架参数值。
S1103：在车架参数表内选取车架参数值。
S120：根据车架参数值建立三维模型。
S130：对三维模型进行网格划分。
S140：确定边界条件。
S150：依据三维模型计算弯曲刚度值和扭转刚度值。
S1601：比较弯曲刚度值与弯曲刚度目标值的大小。
若弯曲刚度值不小于弯曲刚度目标值，则执行S1602；若弯曲刚度值小于弯曲刚度目标值，则执行S300。
S1602：比较扭转刚度值与扭转刚度目标值的大小。
若扭转刚度值不小于扭转刚度目标值，则执行S200。若扭转刚度值小于扭转刚度目标值，则执行S300。
也就是说，当弯曲刚度值与扭转刚度值均满足设计要求时，才会执行S200，弯曲刚度值与扭转刚度值存在一个数值不满足设计要求时，均会执行S300。
S200：输出车架参数值。
S300：确定车架参数表内存在未经计算的车架参数值，在未经计算的车架参数值中重新选取车架参数值，执行S120。
该步骤的作用是，当经过计算的车架弯曲刚度值或扭转刚度值无法满足设计需要时，则改变车架参数值重新进行执行上述计算过程，直至弯曲刚度值与扭转刚度值均满足要求，才会停止计算过程。由于车架参数值发生了更改，在执行S120，即根据车架参数值建立三维模型时，可通过手动修改模型的车架参数值的方式重新建模，也可以通过相关计算机程序修改模型的参数以完成三维模型的修改。
具体地，S300包括：
S3001：在车架参数表内标记当前的车架参数值、弯曲刚度值以及扭转刚度值。
标记的作用是代表此种车架参数值已经过计算且计算结果不满足要求。
S3002：判断车架参数表内是否还有未标记的车架参数值，若有未标记的车架参数值，则执行S3003；若无未标记的车架参数值，则执行S3004。
S3003：在未标记的车架参数值中选取新的车架参数值，执行S120。
车架参数表内具有未标记的车架参数值，也就是仍存在未经过计算的车架参数值，则在未经过计算的车架参数值内选取新的车架参数值重新进行计算。该选取操作可通过人为选取实现，也可以采用计算机程序通过神经网络算法实现，例如使用MATLAB软件建立BP神经网络模型进行训练，具体而言，将各个车架参数作为神经网络训练样本，训练时使用随机值作为权值，输出值即为经过上述计算过程计算得到的弯曲刚度值和扭转刚度值，在后续的迭代过程中，根据弯曲刚度值与弯曲刚度目标值之间的误差以及扭转刚度值与扭转刚度目标值之间的误差，采用动量最速下降BP法和拟牛顿法的结合逐层修改权值，只有当弯曲刚度值不小于弯曲刚度目标值，且扭转刚度值不小于扭转刚度目标值时，训练结束，否则不断地修正权值以达到目标值。
S3004：比较车架参数表内所有已标记的弯曲刚度值的大小以及扭转刚度值的大小，输出弯曲刚度值最大时的车架参数值以及扭转刚度值最大时的车架参数值。
也就是说，当车架参数表内的所有车架参数值计算得到的弯曲刚度值和扭转刚度值均不能满足设计需要，则输出弯曲刚度值最大时的车架参数值，以及扭转刚度值最大时的车架参数值，提供给相关人员进行参考。
作为一种可替代方案，在S3002中，判断车架参数表内是否还有未标记的车架参数值，若无未标记的车架参数值，执行S3005，不再执行S3004。
S3005：输出警报信息。
通过输出警报信息将结果告知使用者，使用者可人为选择车架参数值作为输出值，或者重新调整参数范围或者重新设置刚度目标值以重新进行计算。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种车架刚度优化方法，通过车架实施，所述车架包括两个平行且间隔设置的纵梁（1）以及设置于两个所述纵梁（1）之间的多个横梁（2），多个所述横梁（2）平行且间隔设置，且任意所述横梁（2）的两端均分别连接于两个所述纵梁（1），两个所述纵梁（1）用于与悬架连接；
其特征在于，包括：
S100：设定车架参数的范围，弯曲刚度目标值以及扭转刚度目标值；
所述车架参数包括所述纵梁（1）的断面尺寸和长度，所述横梁（2）的断面尺寸和长度，以及每个所述横梁（2）相对于所述纵梁（1）的位置；
S110：在所述车架参数的范围内选取车架参数值；
S120：根据所述车架参数值建立三维模型；
S130：对所述三维模型进行网格划分；
S140：确定边界条件；
所述边界条件包括所述纵梁（1）与所述悬架连接处的自由度、载荷和挠度，以及作用于所述纵梁（1）的集中载荷；
S150：依据所述三维模型计算弯曲刚度值和扭转刚度值；
S160：确定所述弯曲刚度值不小于所述弯曲刚度目标值，且所述扭转刚度值不小于所述扭转刚度目标值；
S200：输出所述车架参数值；
S150包括：
S1501：将所述三维模型代入有限元求解器计算所述集中载荷的作用点处的挠度；
S1502：根据公式EI=FL3/48f计算弯曲刚度值，式中：EI为弯曲刚度值，F为作用于所述纵梁（1）的集中载荷，L为前桥与后桥之间沿车辆行驶方向的间距，f为所述集中载荷的作用点处的挠度；
S1501还包括：将所述三维模型代入有限元求解器计算所述纵梁（1）的最大扭矩；
S1502还包括：根据公式GI=TL/θ计算扭转刚度值，式中：GI为扭转刚度值，T为所述纵梁（1）的最大扭矩，θ为车架扭转角；
S110包括：
S1101：输入所述车架参数值的最小精度；
S1102：在所述车架参数的范围内对所有所述车架参数值进行穷举以形成车架参数表，所述车架参数表包含全部的所述车架参数值；
S1103：在所述车架参数表内选取所述车架参数值。
2.根据权利要求1所述的车架刚度优化方法，其特征在于，S160包括：
S1601：比较所述弯曲刚度值与所述弯曲刚度目标值的大小；
若所述弯曲刚度值不小于所述弯曲刚度目标值，则执行S1602；
S1602：比较所述扭转刚度值与所述扭转刚度目标值的大小；
若所述扭转刚度值不小于所述扭转刚度目标值，则执行S200。
3.根据权利要求2所述的车架刚度优化方法，其特征在于，S1601还包括：
若所述弯曲刚度值小于所述弯曲刚度目标值，则执行S300；
所述车架刚度优化方法还包括S300；
S300：确定所述车架参数表内存在未经计算的所述车架参数值，在未经计算的所述车架参数值中重新选取所述车架参数值，执行S120。
4.根据权利要求3所述的车架刚度优化方法，其特征在于，S1602还包括：
若所述扭转刚度值小于所述扭转刚度目标值，则执行S300。
5.根据权利要求3所述的车架刚度优化方法，其特征在于，S300包括：
S3001：在所述车架参数表内标记当前的所述车架参数值、所述弯曲刚度值以及所述扭转刚度值；
S3002：判断所述车架参数表内是否还有未标记的所述车架参数值，若有未标记的所述车架参数值，则执行S3003；
S3003：在未标记的所述车架参数值中选取一个所述车架参数值，执行S120。
6.根据权利要求5所述的车架刚度优化方法，其特征在于，S3002还包括：
若无未标记的所述车架参数值，则执行S3004；
S3004：比较所述车架参数表内所有已标记的所述弯曲刚度值的大小以及所述扭转刚度值的大小，输出所述弯曲刚度值最大时的所述车架参数值以及所述扭转刚度值最大时的所述车架参数值。
7.根据权利要求5所述的车架刚度优化方法，其特征在于，S3002还包括：
若无未标记的所述车架参数值，则执行S3005；
S3005：输出警报信息。
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