一种增强补刚的镁合金乘用车车架及其设计方法与流程

本发明涉及车架领域，具体涉及一种增强补刚的镁合金乘用车车架及其设计方法。

背景技术：

开发替代能源、节约用油和提高燃油经济是汽车节能的三个基本途径。而汽车自重每减少10％，燃油消耗可降低6％-8％，排放可降低4％。对于乘用车来说，车身占整车质量的40％-60％，约70％的油耗是用在车身质量上的，从制造成本来看，车身占到整车成本的15％-30％。传统的车身结构所用材料主要为普通或高强度低碳钢板，但新能源车的动力电池组的能量密度有限,而钢制轿车白车身一般质量约为400-550kg,使得钢制乘用车在续航里程和电池使用效率上难以取得突破性进展,因此汽车轻量化是提高续航里程的重要技术措施，同时质量的减小也带来操控便捷性提高、刹车距离缩短、车辆振动减小和磨损下降、部件寿命提高等效益。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种增强补刚的镁合金乘用车车架及其设计方法，具体技术方案如下：

一种增强补刚的镁合金乘用车车架，包括前梁、后梁以及设置在前梁与后梁之间的连接梁、前梁与后梁关于连接梁对称设置并且前梁、后梁以及连接梁采用的材料均为镁合金，前梁包括多根平行设置的前防撞梁、设置在前防撞梁两端的前指梁、设置在前指梁与连接梁之间的前横梁以及设置在前防撞梁与连接梁之间的前纵梁；连接梁包括设置在前梁与后梁之间的多根顶板纵梁、设置在前梁与后梁之间并位于顶板纵梁下方的多组门槛梁、设置在门槛梁之间的底盘、设置在相邻顶板纵梁之间的顶板横梁以及设置在顶板纵梁与门槛梁之间的立柱梁。

当本发明受到来自前方的撞击力时，设置在最前端的前防撞梁配合前纵梁对撞击力进行有效的缓冲，防止本发明发生较大的变形，对连接梁内部的乘客提供保护，同理当本发明受到来自后方的撞击力时，与前梁关于连接梁对称设置的后梁对撞击力进行有效的缓冲并对连接梁内部的乘客提供保护。同时镁合金是优异的轻质材料，除具有较小的密度外，还具有较高的比强度、比刚度和制造工艺稳定性。同时与钢铁和铝合金相比，镁合金还具有高阻尼系数，具备良好的减震降噪特性，并且镁合金电磁屏蔽性好，更适用于对抗电磁干扰要求高的新能源车车架。

作为优选，后梁包括多根平行设置的后防撞梁、设置在后防撞梁两端的后指梁、设置在后指梁与连接梁之间的后横梁以及设置在后防撞梁与连接梁之间的后纵梁。

本发明通过设置在最后端的后防撞梁配合后纵梁对撞击力进行有效的缓冲，防止本发明在撞击过程中发生较大的变形，对连接梁内部的乘客提供保护。

作为优选，前纵梁与后纵梁内部均填充有纤维复合材料。

作为优选，前梁、后梁以及连接梁中除前纵梁与后纵梁外，其表面均设有相互连通的沟槽、沟槽内亦填充有纤维复合材料。

本发明通过填充在内部的纤维复合材料，以增大车体整体刚度和强度，在提高运行安全可靠性的前提下，实现充分的轻量化。

作为优选，立柱梁包括依次设置在顶板纵梁与门槛梁之间的前立柱、中立柱以及后立柱。

作为优选，纤维复合材料为碳纤维复合材料或玄武岩纤维复合材料

作为优选，沟槽的截面形状为U形或方形。

一种增强补刚的镁合金乘用车车架的设计方法，包括以下步骤:

(S1)：根据车架的结构形状尺寸在Hypermesh软件进行建模，对车架的整体结构抽取中面，然后采用壳单元Shell181进行离散；

(S2)：通过Hypermesh软件对车架上的各个载荷进行简化处理，将其简化为集中质量施加于质心处，采用Mass21单元对集中质量进行模拟，然后通过Beam188单元和点接触算法将集中质量与车架上的连接处位置连接，对于车架上的钢结构焊接处采用节点耦合的方法进行建模；

(S3)：将车架的有限元模型导入到Ansys软件中；在Ansys软件中进行第一种工况的结构强度计算，在Ansys软件中设置第一种工况状态，第一种工况模拟车架为静态的情况，第一种工况下的载荷为车架的自重、载重重量、整体设备重量与垂直动载荷之和，车架的各支撑及载重载荷作用在各自支撑梁上，在Ansys软件中设置第一种工况下的约束条件，第一垂向约束为车架所有底梁的支撑点约束垂向位移，第一横向约束为车架横梁约束横向位移，第一纵向约束为车架纵梁支撑点处约束纵向位移，然后在Ansys软件中对车架上各点的等效应力进行von Mises应力评定，判断车架上各点的等效应力与车架材料的屈服强度的大小关系；

(S4)：在Ansys软件中进行第二种工况的结构强度计算，在Ansys软件中设置第二种工况状态，第二种工况模拟车架的前端遭受碰撞的情况，第二种工况下的载荷为车架的自重、载重重量、整体设备重量、垂直动载荷、纵向动载荷以及转向载荷之和，其中车架的各支撑及载重重量载荷作用在各自支撑座上，在Ansys软件中设置第二种工况下的约束条件，第二垂向约束为车架所有底梁的支撑点约束垂向位移，第二横向约束为除车架前端防撞梁支撑点约束位移外其余所有横梁约束横向位移，第二纵向约束为车架纵梁支撑点处约束纵向位移，然后在Ansys软件中对车架上各点的等效应力进行von Mises应力评定，判断车架上各点的等效应力与车架材料的屈服强度的大小关系；

(S5)：在Ansys软件中进行第三种工况的结构强度计算，在Ansys软件中设置第三种工况状态，第三种工况模拟车架的后端遭受碰撞的情况，第三种工况下的载荷为车架的自重、载重重量、整体设备重量、垂直动载荷、纵向动载荷以及转向载荷之和，其中车架的各支撑及载重重量载荷作用在各自支撑座上，在Ansys软件中设置第三种工况下的约束条件，第三垂向约束为车架所有底梁的支撑点约束垂向位移，第三横向约束为除车架后端后横梁支撑点约束位移外其余所有横梁约束横向位移，第三纵向约束为车架纵梁支撑点处约束纵向位移，然后在Ansys软件中对车架上各点的等效应力进行von Mises应力评定，判断车架上各点的等效应力与车架材料的屈服强度的大小关系；

(S6)：在Ansys软件中进行第四种工况的结构强度计算，在Ansys软件中设置第四种工况状态，第四种工况模拟车架的左端或右端遭受碰撞的情况，第四种工况下的载荷为车架的自重、载重重量、整体设备重量、垂直动载荷、纵向动载荷以及转向载荷之和，其中车架的各支撑及载重重量载荷作用在各自支撑座上，在Ansys软件中设置第四种工况下的约束条件，第四垂向约束为车架所有底梁的支撑点约束垂向位移，第四横向约束为车架横梁约束横向位移，第四纵向约束为除车架左端中立柱支撑点约束位移外其余所有纵梁支撑点处约束纵向位移，然后在Ansys软件中对车架上各点的等效应力进行von Mises应力评定，判断车架上各点的等效应力与车架材料的屈服强度的大小关系。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过设置在最前端的前防撞梁配合前纵梁对撞击力进行有效的缓冲，防止本发明发生较大的变形，对连接梁内部的乘客提供保护，同理当本发明受到来自后方的撞击力时，与前梁关于连接梁对称设置的后梁对撞击力进行有效的缓冲并对连接梁内部的乘客提供保护。本发明采用全镁合金结构设计，结构牢固、紧凑且布局合理。与单一碳纤维复合材料车架相比，成本远低，工艺简单，碳纤维使用量极少显著降低车体重量，可以有效解决乘用车续航里程不足的问题。与传统的铝合金和钢铁相比，镁合金的阻尼性能明显优于，有显著的减振降噪效果，降低振动疲劳破坏概率，并提升用户乘用舒适感；并且镁合金电磁屏蔽性好，更适用于对抗电磁干扰要求高的新能源车车架。同时通过镁合金车车架的尺寸大小进行建模然后进行强度分析来判断是否满足结构强度的要求，省去了现实中的实物载荷试验工序，试验验证方法更加高效，降低了试验验证成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的剖视图；

图3为图1中A处的局部放大图。

图中：1-前梁；2-后梁；3-连接梁；11-前防撞梁；12-前指梁；13-前横梁；14-前纵梁；31-顶板纵梁；32-门槛梁；33-底盘；34-顶板横梁；35-立柱梁；21-后防撞梁；22-后指梁；23-后横梁；24-后纵梁；4-纤维复合材料；5-沟槽；351-前立柱；352-中立柱；353-以及后立柱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

参见图1到图3，本发明中车架包括前梁1、后梁2以及设置在前梁1与后梁2之间的连接梁3、前梁1与后梁2关于连接梁3对称设置并且前梁1、后梁2以及连接梁3采用的材料均为镁合金，前梁1包括多根平行设置的前防撞梁11、设置在前防撞梁11两端的前指梁12、设置在前指梁12与连接梁3之间的前横梁13以及设置在前防撞梁11与连接梁3之间的前纵梁14；连接梁3包括设置在前梁1与后梁2之间的多根顶板纵梁31、设置在前梁1与后梁2之间并位于顶板纵梁31下方的多组门槛梁32、设置在门槛梁32之间的底盘33、设置在相邻顶板纵梁31之间的顶板横梁34以及设置在顶板纵梁31与门槛梁32之间的立柱梁35。后梁2包括多根平行设置的后防撞梁21、设置在后防撞梁21两端的后指梁22、设置在后指梁22与连接梁3之间的后横梁23以及设置在后防撞梁21与连接梁3之间的后纵梁24。立柱梁35包括依次设置在顶板纵梁31与门槛梁32之间的前立柱351、中立柱352以及后立柱353。

当本发明受到来自前方的撞击力时，设置在最前端的前防撞梁11配合前纵梁14对撞击力进行有效的缓冲，防止本发明发生较大的变形，对连接梁3内部的乘客提供保护，同理当本发明受到来自后方的撞击力时，设置在最后端的后防撞梁21配合后纵梁24对撞击力进行有效的缓冲，防止本发明在撞击过程中发生较大的变形，对连接梁3内部的乘客提供保护。同时本发明采用全镁合金结构设计，结构牢固、紧凑且布局合理。与单一碳纤维复合材料4车架相比，成本远低，工艺简单，碳纤维使用量极少显著降低车体重量，可以有效解决乘用车续航里程不足的问题。与传统的铝合金和钢铁相比，镁合金的阻尼性能明显优于，有显著的减振降噪效果，降低振动疲劳破坏概率，并提升用户乘用舒适感；并且镁合金电磁屏蔽性好，更适用于对抗电磁干扰要求高的新能源车车架。

进一步参见图2和图3，前纵梁14与后纵梁24内部均填充有纤维复合材料4。其中对于前纵梁14与后纵梁24采用内置法，将事先经由等强度法和等刚度法设计原则确定的纤维复合材料4按量、按位置及方向穿进前纵梁14和后纵梁24内部，定位并固化。前梁1、后梁2以及连接梁3中除前纵梁14与后纵梁24外，其表面均设有相互连通的沟槽5、沟槽5的截面形状为U形或方形，沟槽5内亦填充有纤维复合材料4。沟槽5预先通过设计布置在本发明表面，装配焊接完成后再将焊接封堵的部位切割打通，形成表面贯穿车门框并相互连通的沟槽5，然后采用纤维复合材料4置入沟槽5中，用胶接的方式进行固定和固化。本发明通过填充在内部的纤维复合材料4，以增大车体整体刚度和强度，在提高运行安全可靠性的前提下，实现充分的轻量化。

纤维复合材料4置入沟槽5有二种方案，其一，纤维复合材料4采用穿入、缠绕方式置入沟槽5中，在转弯处自然弯曲绕过，使每个结构件与置入的纤维复合材料4构成一个整体。其二，将整个车架分为前端结构件总成，左端结构件总成，右端结构件总成，后端结构件总成，顶端结构件总成，每个结构件总成部分采用一根纤维复合材料4缠绕，保证了每个部分结构件整体的强度。纤维复合材料4为碳纤维复合材料或玄武岩纤维复合材料。

本发明中一种增强补刚的镁合金乘用车车架的设计方法，包括以下步骤:

(S1)：根据车架的结构形状尺寸在Hypermesh软件进行建模，对车架的整体结构抽取中面，然后采用壳单元Shell181进行离散；

(S2)：通过Hypermesh软件对车架上的各个载荷进行简化处理，将其简化为集中质量施加于质心处，采用Mass21单元对集中质量进行模拟，然后通过Beam188单元和点接触算法将集中质量与车架上的连接处位置连接，对于车架上的钢结构焊接处采用节点耦合的方法进行建模；

(S3)：将车架的有限元模型导入到Ansys软件中；在Ansys软件中进行第一种工况的结构强度计算，在Ansys软件中设置第一种工况状态，第一种工况模拟车架为静态的情况，第一种工况下的载荷为车架的自重、载重重量、整体设备重量与垂直动载荷之和，车架的各支撑及载重载荷作用在各自支撑梁上，在Ansys软件中设置第一种工况下的约束条件，第一垂向约束为车架所有底梁的支撑点约束垂向位移，第一横向约束为车架横梁约束横向位移，第一纵向约束为车架纵梁支撑点处约束纵向位移，然后在Ansys软件中对车架上各点的等效应力进行von Mises应力评定，判断车架上各点的等效应力与车架材料的屈服强度的大小关系；

(S4)：在Ansys软件中进行第二种工况的结构强度计算，在Ansys软件中设置第二种工况状态，第二种工况模拟车架的前端遭受碰撞的情况，第二种工况下的载荷为车架的自重、载重重量、整体设备重量、垂直动载荷、纵向动载荷以及转向载荷之和，其中车架的各支撑及载重重量载荷作用在各自支撑座上，在Ansys软件中设置第二种工况下的约束条件，第二垂向约束为车架所有底梁的支撑点约束垂向位移，第二横向约束为除车架前端防撞梁支撑点约束位移外其余所有横梁约束横向位移，第二纵向约束为车架纵梁支撑点处约束纵向位移，然后在Ansys软件中对车架上各点的等效应力进行von Mises应力评定，判断车架上各点的等效应力与车架材料的屈服强度的大小关系；

(S5)：在Ansys软件中进行第三种工况的结构强度计算，在Ansys软件中设置第三种工况状态，第三种工况模拟车架的后端遭受碰撞的情况，第三种工况下的载荷为车架的自重、载重重量、整体设备重量、垂直动载荷、纵向动载荷以及转向载荷之和，其中车架的各支撑及载重重量载荷作用在各自支撑座上，在Ansys软件中设置第三种工况下的约束条件，第三垂向约束为车架所有底梁的支撑点约束垂向位移，第三横向约束为除车架后端后横梁支撑点约束位移外其余所有横梁约束横向位移，第三纵向约束为车架纵梁支撑点处约束纵向位移，然后在Ansys软件中对车架上各点的等效应力进行von Mises应力评定，判断车架上各点的等效应力与车架材料的屈服强度的大小关系；

(S6)：在Ansys软件中进行第四种工况的结构强度计算，在Ansys软件中设置第四种工况状态，第四种工况模拟车架的左端或右端遭受碰撞的情况，第四种工况下的载荷为车架的自重、载重重量、整体设备重量、垂直动载荷、纵向动载荷以及转向载荷之和，其中车架的各支撑及载重重量载荷作用在各自支撑座上，在Ansys软件中设置第四种工况下的约束条件，第四垂向约束为车架所有底梁的支撑点约束垂向位移，第四横向约束为车架横梁约束横向位移，第四纵向约束为除车架左端中立柱支撑点约束位移外其余所有纵梁支撑点处约束纵向位移，然后在Ansys软件中对车架上各点的等效应力进行von Mises应力评定，判断车架上各点的等效应力与车架材料的屈服强度的大小关系。

本发明通过镁合金车车架的尺寸大小进行建模然后进行强度分析来判断是否满足结构强度的要求，省去了现实中的实物载荷试验工序，试验验证方法更加高效，降低了试验验证成本。

以上仅为本发明的较佳实施例，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。