一种客车车身骨架扭转刚度分析方法及装置与流程

1.本发明属于客车车身结构技术领域，尤其涉及到一种客车车身骨架扭转刚度分析方法及装置。


背景技术：

2.车身骨架是客车载人空间的主体结构，车身骨架设计方案需要保证车身骨架有足够的扭转刚度，使车身骨架具备足够的抵抗扭转变形的能力。车身骨架扭转刚度不足会大幅度降低客车的承载能力，不仅使结构发生强度破坏和疲劳损伤的可能性增加，而且使窗框玻璃发生破裂的机率加大。此外车身骨架扭转刚度不足会降低车身的模态，从而降低客车的nvh(noise-vibration-harshness，噪声、振动和舒适性)性能。因此，需要在设计前期严格控制客车车身骨架的扭转刚度，避免在产品开发后期和使用过程中因基础性能不足而产生的优化整改的费用成本和时间成本。
3.在现有技术中，对客车车身骨架的扭转刚度分析通常采用经验评估法，扭转刚度值的精准程度受到设计人员经验水平的影响，未能在设计前期形成一套通用的分析评估体系，不能保证车身骨架在设计开发和实物生产过程中具有满足要求的扭转刚度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种客车车身骨架扭转刚度分析方法及装置，以解决现有技术中通过经验评估法评估车身骨架扭转刚度，扭转刚度的精准度受设计人员经验水平影响的问题。
5.基于上述目的，第一方面，本发明提供一种客车车身骨架扭转刚度分析方法，包括：
6.基于客车车身骨架三维模型建立客车车身骨架有限元模型；
7.建立有限元悬架简易模型；
8.建立边界条件，根据所述边界条件分别在所述客车车身骨架有限元模型和所述有限元悬架简易模型上施加约束；
9.建立载荷条件，根据所述载荷条件在有限元悬架简易模型上施加载荷，并确定扭矩；
10.对所述客车车身骨架有限元模型进行力学求解获得测量点的位移量，并根据所述测量点的位移量获取客车车身骨架在所述扭矩作用下的相对扭转角；
11.根据所述相对扭转角获取所述客车车身骨架的扭转刚度，并根据所述客车车身骨架的扭转刚度检测车身骨架设计方案是否符合扭转刚度要求。
12.优选地，所述建立有限元悬架简易模型，包括：
13.获取客车的总布置图；
14.根据所述客车的总布置图获取在不同悬架状态下的节点集合；
15.通过一维单元将所述节点集合中的各节点进行连接，以完成所述有限元悬架简易
模型的建立。
16.优选地，所述悬架状态为板簧状态；所述根据所述客车的总布置图获取在不同悬架状态下的节点集合，包括：
17.在所述客车的总布置图中确定前轴左轮心、前轴右轮心、前轴与左板簧的相交点、前轴与右板簧的相交点、前轴与左右板簧相交点的中点，生成所述节点集合。
18.优选地，所述悬架状态为气囊状态；所述根据所述客车的总布置图获取在不同悬架状态下的节点集合，包括：
19.在所述客车的总布置图中确定前轴左轮心、前轴左轮心、前轴与左气囊的相交点、前轴与右气囊的相交点、前轴与左右气囊相交点的中点，生成所述节点集合。
20.优选地，所述建立边界条件，根据所述边界条件在所述客车车身骨架有限元模型上施加约束，包括：
21.将所述客车车身骨架有限元模型中后轴对应的左侧车架主纵梁截面中心标记为第一约束点，在所述第一约束点处施加前后、左右和上下方向的平动自由度约束；且将后轴对应的右侧车架主纵梁截面中心标记为所述第二约束点，在所述第二约束点处施加前后和上下方向的平动自由度约束。
22.优选地，所述建立边界条件，根据所述边界条件在所述有限元悬架简易模型上施加约束，包括：
23.将所述有限元悬架简易模型中所述前轴与左右板簧或前轴与左右气囊相交点的中点标记为悬架约束点，在所述悬架约束点施加上下方向的平动自由度约束。
24.优选地，所述建立载荷条件，根据所述载荷条件在有限元悬架简易模型上施加载荷，并确定扭矩，包括：
25.将有限元悬架简易模型中的所述前轴左轮心和所述前轴右轮心标记为预设加载点；
26.在所述前轴左轮心和所述前轴右轮心处分别施加第一载荷和第二载荷；
27.根据所述第一载荷和所述第二载荷获得在前轴上施加的扭矩。
28.优选地，所述扭矩t的计算公式为：
[0029][0030][0031]
其中，t为所述扭矩；ff为施加在所述前轴左轮心处沿竖直方向的第一载荷，fr为施加在所述前轴右轮心处沿竖直方向的第二载荷，且所述第一载荷和所述第二载荷方向相反；l为所述前轴左轮心与所述前轴右轮心之间的横向距离；mf为前轴满载轴重；g为重力加速度。
[0032]
优选地，所述相对扭转角的计算公式为：
[0033][0034]
其中，α为所述客车车身骨架在所述扭矩作用下的所述相对扭转角；δz1为以前轴左轮心为测试点，其上下方向位移量的绝对值；δz2为以前轴右轮心为测试点，其上下方向
位移量的绝对值；k为扭转常数。
[0035]
第二方面，本发明提供一种客车车身骨架扭转刚度分析装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的客车车身骨架扭转刚度分析程序，所述处理器执行所述客车车身骨架扭转刚度分析程序时实现第一方面的客车车身骨架扭转刚度分析方法。
[0036]
本发明提供的客车车身骨架扭转刚度分析方法及装置，在建立客车车身骨架三维模型和有限元悬架简易模型之后，首先根据边界条件分别对客车车身骨架有限元模型和有限元悬架简易模型进行约束，以及根据载荷条件对有限元悬架简易模型进行加载，并确定扭矩，以完成整体约束和整体加载，然后对客车车身骨架三维模型关联的客车车身骨架有限元模型进行求解得到测量点的位移量，并根据测量点的位移量获取客车车身骨架在扭矩作用下的相对扭转角，进而计算得到扭转刚度，最后根据扭转刚度检测车身骨架设计方案是否符合扭转刚度要求。本发明能够高效、精准、低成本地分析客车车身骨架扭转刚度，同时能够实现多种设计方案优选以及设计方案有效性验证，确保车身骨架设计方案在满足扭转刚度设计目标的前提下进行生产和制造，从而避免了用实物进行验证和优选，且降低了设计开发的时间成本、实物验证和制造的费用成本等。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1为本发明一实施例中客车车身骨架扭转刚度分析方法的流程图；
[0039]
图2为本发明一实施例中客车车身骨架三维模型的示意图；
[0040]
图3为发明一实施例中有限元悬架简易模型的示意图；
[0041]
图4为发明一实施例中车架约束位置的示意图；
[0042]
图5为本发明一实施例中客车车身骨架扭转刚度分析方法的步骤s40的流程图。
具体实施方式
[0043]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0044]
如图1所示，在一实施例中，提供一种客车车身骨架扭转刚度分析方法，包括如下步骤：
[0045]
步骤s10，基于客车车身骨架三维模型建立客车车身骨架有限元模型。
[0046]
在本实施例中，客车车身骨架三维模型包括前围三维模型、后围三维模型、左右侧围三维模型、顶盖三维模型、车架及地板三维模型。
[0047]
具体的，通过预设三维绘图软件例如proe，建立如图2所示的客车车身骨架三维模
型，并将客车车身骨架三维模型导入预设有限元软件例如hypermesh，对客车车身骨架三维模型进行几何清理和网格划分等处理，得到客车车身骨架有限元模型，也即将三维模型数据由几何数据转换为用于进行有限元分析的有限元模型数据。
[0048]
步骤s20，建立有限元悬架简易模型。
[0049]
在本实施例中，有限元前悬架简易模型由多个节点通过一维单元连接构成。其中，一维单元可以为rbe2单元(rigid body element2，刚性连接单元)，也可以是beam梁单元。
[0050]
具体的，获取客车的总布置图，根据客车的总布置图获取在不同悬架状态下的节点集合，并通过一维单元将节点集合中的各节点进行连接，以将悬架简化处理为有限元悬架简易模型。其中，客车的总布置图中包含整个客车的总体尺寸、各功能件的安装位置和各功能件之间的相互位置关系等信息。
[0051]
作为优选，如图3所示的有限元悬架简易模型(图3中，左、右边分别对应板簧状态和气囊状态)，根据客车的总布置图获取在不同悬架状态下的节点集合，可以包括以下步骤：
[0052]
在悬架状态为板簧状态时，在客车的总布置图中确定前轴左轮心1、前轴右轮心2、前轴与左板簧的相交点3、前轴与右板簧的相交点4、前轴与左右板簧相交点的中点5，生成节点集合。
[0053]
而在悬架状态为气囊状态时，在客车的总布置图中确定前轴左轮心1、前轴右轮心2、前轴与左气囊的相交点3、前轴与右气囊的相交点4、前轴与左右气囊相交点的中点5，生成节点集合。
[0054]
也即，在总布置图中确定前轴左轮心1、前轴右轮心2、前轴与左板簧或左气囊对应的相交点3、前轴与右板簧或右气囊对应的相交点4、前轴与左右板簧或前轴与左右气囊相交点的中点5，并通过一维单元将前述节点进行连接，以将悬架简化处理为限元悬架简易模型。
[0055]
可理解的，本实施例提出一种悬架简化方式，在反映悬架作用特点的同时降低了悬架的建模难度，同时节点位置来源于实际总布置图信息，确保了悬架的简化结构符合实际情况。
[0056]
步骤s30，建立边界条件，根据边界条件分别在客车车身骨架有限元模型和有限元悬架简易模型上施加约束。
[0057]
在本实施例中，边界条件为在客车车身骨架三维模型的骨架约束点(包含第一约束点和第二约束点)上施加至少一个方向的平动自由度约束，以及在有限元悬架简易模型的悬架约束点上施加至少一个方向的平动自由度约束。此时，结合如图4所示的车架约束位置示意图，在客车车身骨架有限元模型上施加约束是指，将客车车身骨架有限元模型中后轴对应的左侧车架主纵梁截面中心6标记为第一约束点，在第一约束点处施加前后、左右和上下方向的平动自由度约束；且将后轴对应的右侧车架主纵梁截面中心7标记为第二约束点，在第二约束点处施加前后和上下方向的平动自由度约束。
[0058]
在有限元悬架简易模型上施加约束是指，将有限元悬架简易模型中前轴与左右板簧或左右气囊相交点的中点5标记为悬架约束点，在悬架约束点施加上下方向的平动自由度约束。
[0059]
可理解的，本实施例规定了后轴对应主纵梁的抓取范围，且规定了后轴对应的主
纵梁左右两侧的约束自由度，这些规定使车身骨架在扭转作用下充分参与变形外，不会额外增加较大的刚度，从而使得分析所得的刚度值更符合实际。
[0060]
在其他实施例中，边界条件可以包含在有限元悬架简易模型左右轮心间的mpc约束(multiplepoints constraint，多点约束)，此时，在有限元悬架简易模型上施加约束是指，在有限元悬架简易模型中的前轴左右轮心间施加上下方向的mpc约束。
[0061]
步骤s40，建立载荷条件，根据载荷条件在有限元悬架简易模型上施加载荷，并确定扭矩t。
[0062]
可理解的，客车车身骨架为整个客车的一部分，是整体的承载结构，并安装在底盘上，由底盘带动，而悬架为底盘的一部分，底盘的动力经悬架传递至车身，并带动车身前进和刹车等，进而使得车身骨架所承受的载荷先传递至悬架，再由悬架传递至车身骨架，因此，在分析车身骨架的扭转刚度时，载荷加载到悬架上。
[0063]
在本实施例中，加载条件为在有限元悬架简易模型的预设加载点上分别施加第一载荷ff和第二载荷fr，其中，第一载荷ff与第二载荷fr大小相等，方向相反。此时，如图5所示，步骤s40，包括以下步骤：
[0064]
步骤s401，将有限元悬架简易模型中的前轴左轮心1和前轴右轮心2标记为预设加载点。
[0065]
步骤s402，在前轴左轮心1和前轴右轮心2处分别施加第一载荷ff和第二载荷fr。
[0066]
步骤s403，根据第一载荷ff和第二载荷fr获得在前轴上施加的扭矩t，其中，扭矩t的计算公式可以表示为：
[0067][0068][0069]
公式(1)中，ff为施加在前轴左轮心1处沿竖直方向的第一载荷，fr为施加在前轴右轮心2处沿竖直方向的第二载荷，且第一载荷和第二载荷方向相反，也即若第一载荷方向向上，相应的第二载荷方向向下，而若第一载荷方向向下，则相应的第二载荷方向向上；l为前轴左轮心1与前轴右轮心2之间的横向距离；mf为前轴满载轴重；g为重力加速度。
[0070]
可理解的，本实施例提出了前轴扭矩载荷的分析方法，以实际满载条件下单侧前轴荷重为单侧载荷输入，避免人为定义载荷所带来的随意性，使载荷加载符合实际，且可追溯。
[0071]
步骤s50，对客车车身骨架有限元模型进行力学求解获得测量点的位移量，并根据测量点的位移量获取客车车身骨架在扭矩t作用下的相对扭转角α。
[0072]
其中，相对扭转角的计算公式可以表示为：
[0073][0074]
公式(2)中，α为客车车身骨架在扭矩t作用下的相对扭转角；δz1为以前轴左轮心1为测试点，其上下方向位移量的绝对值；δz2为以前轴右轮心2为测试点，其上下方向位移量的绝对值；k为扭转常数，且k＝57.3。
[0075]
可理解的，施加在客车车身骨架有限元模型上的约束，以及施加在有限元悬架简
易模型上的约束和载荷，最终传递到客车车身骨架有限元模型的节点上，步骤s40中以有限元悬架简易模型中的前轴左轮心1和前轴右轮心2为加载点施加载荷，相应的步骤s50中以前轴左轮心1和前轴右轮心2为测试点进行求解，进而获得测量点的位移量之后，通过公式(2)计算得到客车车身骨架在扭矩t作用下的相对扭转角α。
[0076]
步骤s60，根据相对扭转角α获取客车车身骨架的扭转刚度k，并根据客车车身骨架的扭转刚度检测车身骨架设计方案是否符合扭转刚度要求。其中，扭转刚度的计算公式为：
[0077][0078]
在本实施例中，通过公式(3)计算得到客车车身骨架的扭转刚度k，并将客车车身骨架的扭转刚度k与目标值gk进行比较，判定车身骨架设计方案是否符合扭转刚度要求，在客车车身骨架的扭转刚度k达到(大于或等于)目标值gk时，判定车身骨架设计方案符合扭转刚度要求，并向发出设计方案符合要求的检测结果；而在客车车身骨架的扭转刚度k未达到(小于)目标值gk时，判定车身骨架设计方案不符合扭转刚度要求，并向发出设计方案不符合要求的检测结果，进一步地，根据检测结果进行设计方案有效性验证以及进行多种设计方案优选。可理解的，本实施例的扭转刚度为前端对扭状态。
[0079]
综上所述，本实施例的客车车身骨架扭转刚度分析方法，在建立客车车身骨架三维模型和有限元悬架简易模型之后，首先根据边界条件分别对客车车身骨架有限元模型和有限元悬架简易模型进行约束，以及根据载荷条件对有限元悬架简易模型进行加载，并确定扭矩，以完成整体约束和整体加载，然后对客车车身骨架三维模型关联的客车车身骨架有限元模型进行求解得到测量点的位移量，并根据测量点的位移量获取客车车身骨架在扭矩作用下的相对扭转角，进而计算得到扭转刚度，最后根据扭转刚度检测车身骨架设计方案是否符合扭转刚度要求。本实施例的客车车身骨架扭转刚度分析方法，能够高效、精准、低成本地分析客车车身骨架扭转刚度，同时能够实现多种设计方案优选以及设计方案有效性验证，确保车身骨架设计方案在满足扭转刚度设计目标的前提下进行生产和制造，从而避免了用实物进行验证和优选，且降低了设计开发的时间成本、实物验证和制造的费用成本等。
[0080]
此外，在一实施例中，还提供一种客车车身骨架扭转刚度分析装置，包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的客车车身骨架扭转刚度分析程序，处理器执行客车车身骨架扭转刚度分析程序时实现上述任一实施例中的客车车身骨架扭转刚度分析方法的步骤。
[0081]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。