本發(fā)明涉及一種前置后驅(qū)桁架式跑車車架及車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，特別是一種適用于發(fā)動機前置后驅(qū)的桁架式跑車車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法；結(jié)構(gòu)優(yōu)化是提高車架整體性能的主要方式，通過設(shè)計合理的載荷傳遞路徑，以達(dá)到桁架式車身均衡承載的目的。

背景技術(shù)：

車架是整車的裝配和承載基體，其作用是支承連接其各總成和零部件，同時承受著傳給它的各種力和力矩，因此車架結(jié)構(gòu)需要有足夠的剛度與強度，保證其有較好的平順性、足夠的可靠性，一個具有良好均衡承載能力的車架在復(fù)雜的工況下，可以保證車架總體不會失去正常的工作能力，在使用期間內(nèi)不變形，不開裂；

傳統(tǒng)的車架結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的盲目性，一般是由設(shè)計人員憑借經(jīng)驗和想象力對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)思，很難對產(chǎn)品的性能、可靠性和可制造性等予以精確考慮。在初步完成車身框架結(jié)構(gòu)設(shè)計后，對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，驗證車身結(jié)構(gòu)參數(shù)是否符合整車綜合性能的要求，同時對分析中發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。但是，設(shè)計者能做的只是對局部進(jìn)行改進(jìn)調(diào)整。此法完全依賴于工程師的經(jīng)驗，并且需要做大量的實驗，周期較長且成本較高；

同時，多數(shù)桁架式車架由于存在設(shè)計不合理，設(shè)計單元過多，導(dǎo)致整體質(zhì)量過大，并且存在車架局部剛度過大或過小造成變形不均勻的問題，使車輛在行駛過程中不能將各種工況下所承受的載荷均衡地傳遞給車架其他部位的結(jié)構(gòu)，從而影響整車性能；

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種前置后驅(qū)桁架式跑車車架及車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。該方法通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)工況的重要程度分配不同分析載荷的權(quán)重比，確定出彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎組合工況下的最佳結(jié)構(gòu)，使側(cè)圍結(jié)構(gòu)與底部車架結(jié)構(gòu)形成互補，車身整體結(jié)構(gòu)與車身局部結(jié)構(gòu)互補，彎曲載荷承載結(jié)構(gòu)構(gòu)件，扭轉(zhuǎn)載荷承載構(gòu)件，側(cè)向載荷承載構(gòu)件互補，從而獲得結(jié)構(gòu)合理、均衡承載的桁架式車架。采用本方法可以有效解決現(xiàn)有桁架式車身結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中理念經(jīng)驗化所導(dǎo)致的整體質(zhì)量過大，車架剛度不均勻的問題。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案這樣實現(xiàn)，結(jié)合附圖說明如下：

一種前置后驅(qū)桁架式跑車車架，包括四根主梁1、四根主橫梁2、多根斜梁3、防滾架4、防滾架斜撐5和前隔板6焊接而成，所述四根主梁1沿車架縱向中心線兩兩對稱，每根主梁1為具有一定弧度的彎梁結(jié)構(gòu)，上主梁1a在車架后部向下彎折，下主梁1b在后部向上彎折，在車架后部焊接在一起，所述上主梁1a和下主梁1b的前端通過前隔板6連接，所述防滾架4固定在上主梁1a上，并通過所述防滾架斜撐5支撐固定，所述主梁1與主橫梁2構(gòu)成前窄后寬形式。

所述的多根斜梁3在所述同側(cè)主梁1間通過對接形成多個三角結(jié)構(gòu)，所述的三角結(jié)構(gòu)根據(jù)發(fā)動機及座椅與人的布置方式所形成的由車架前部到車架后部的密—疏—密的排列方式。

所述的前隔板6由四根封閉鋼管包括前下橫梁2a以及兩根加強梁7所構(gòu)成，所述的四根封閉鋼管形成平面矩形結(jié)構(gòu)，加強梁7形成三個三角形結(jié)構(gòu)，兩個加強梁7尺寸相等，下端對接焊接在前下橫梁2a的中間。

位于車架中后部還包括兩根座椅安裝梁8以及其上方的兩根第二副主梁9，在同側(cè)所述兩梁之間通過多根斜梁3對接形成的多個三角結(jié)構(gòu)連接。

一種前置后驅(qū)桁架式跑車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,主要包括以下步驟：

(1)根據(jù)車輛的各總成布置形式及總體尺寸確定設(shè)計空間，簡化實際模型，獲得車架整體的外形特征，將其作為主要的分析對象并確定其所受彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎三種單工況下的載荷分布情況；

(2)分別對步驟(1)中所建立的車架模型進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎三種單工況下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，獲得三種單工況下的主要承載結(jié)構(gòu)；

(3)采用配對比較的方法，對三種單工況兩兩比較得出各工況的重要性比值，分別得到彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎三種單工況的最佳權(quán)重比以及三種單工況下的變形情況；

(4)根據(jù)步驟(3)所得的三種單工況的權(quán)重比，對車架模型進(jìn)行多工況結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分析得到桁架式車架的主要結(jié)構(gòu)；

(5)、根據(jù)步驟(4)所得的多工況下的最佳主結(jié)構(gòu)，參照步驟(2)所得結(jié)果進(jìn)行局部改善，即根據(jù)多工況分析獲得主結(jié)構(gòu)，根據(jù)單工況分析獲得局部結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)與局部結(jié)構(gòu)互補得到初始車架模型。

(6)、在步驟(5)中改善后所得到的結(jié)果的基礎(chǔ)上綜合考慮加工工藝性，在保證足夠的承載能力的同時，適當(dāng)加、減桿件數(shù)量，形成車架的改進(jìn)模型，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)的必要改動，以危險應(yīng)力判斷是否滿足強度條件，結(jié)構(gòu)各點的危險應(yīng)力定義為滿載彎曲工況、左前輪懸空工況、轉(zhuǎn)彎工況。重復(fù)步驟(2)～(6)，直至結(jié)構(gòu)滿足強度、剛度的要求；

實現(xiàn)所述步驟(1)中簡化模型的具體表現(xiàn)為：提取車輛外形主要參數(shù)，包括車長、車寬、車高、軸距、輪距等作為設(shè)計參數(shù)，同時減少車身曲面圓角過渡，采用簡單的平面代替曲面，桁架式車架不形成封閉空間，因此乘坐人員上方應(yīng)無設(shè)計面封閉；

實現(xiàn)所述步驟(1)中彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎三種單工況下的載荷分布情況的具體表現(xiàn)為：車輛在行駛過程中，主要承受靜載荷和動載荷，在優(yōu)化過程中，應(yīng)將發(fā)動機，座椅及人，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等靜載荷根據(jù)其具體質(zhì)量參數(shù)及質(zhì)心位置坐標(biāo)以集中或均布載荷的方式加載在車身模型上，在彎曲工況下，車架的變形主要是垂直方向，所承受的載荷需要乘以一定的動載系數(shù)，動載系數(shù)取為2.0；在扭轉(zhuǎn)工況中，車架承受的載荷在鉛垂方向與彎曲工況基本一致，左右前懸架支撐處加載大小相等方向相反的垂向力；在轉(zhuǎn)彎工況中，車架承受的載荷在鉛垂方向與彎曲工況基本一致，在車身骨架質(zhì)心處施加橫向加速度模擬橫向載荷，大小取為1g；

實現(xiàn)所述步驟(2)中獲得主要承載結(jié)構(gòu)的具體表現(xiàn)為：對車身結(jié)構(gòu)模型施加根據(jù)步驟(1)確定的三種單工況下的載荷邊界條件，通過調(diào)節(jié)懲罰因子，獲得清楚的結(jié)構(gòu)，即分別在三種工況作用下得到的主承載結(jié)構(gòu)；

實現(xiàn)所述步驟(3)中的合理權(quán)重比的確定，具體體現(xiàn)為：根據(jù)決策論對彎曲、扭轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎三種工況采用配對比較的方法，根據(jù)工況的重要程度分配不同的權(quán)重比a1、a2、a3...an，兩兩比較工況間的重要性比值,即工況1的重要程度權(quán)重比為a1,工況2的重要程度權(quán)重比為a2,則工況1對工況2的重要性比值即為a1/a2,若存在n個單工況，則應(yīng)得出n(n-1)/2個比值，本方法只選取最經(jīng)典的三種工況，根據(jù)重要性比值給出配對比較矩陣

cr＝ci/ri

ci＝(λmax-n)/(n-1)

其中，n為工況數(shù)為3，ci為一致性指標(biāo)，ri為隨機產(chǎn)生矩陣的一致性指標(biāo)為0.58，λmax為n的最大特征值，根據(jù)配對比較矩陣一致性判斷準(zhǔn)則,導(dǎo)出一個一致性比cr,若cr小于0.1,則可以判定該矩陣的一致性可以接受；否則應(yīng)重新假設(shè)再次分析計算，直至滿足。此時對應(yīng)的特征向量,即為3個工況的所對應(yīng)得權(quán)重比；

實現(xiàn)所述步驟(4)中的多工況結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到車架主結(jié)構(gòu)的具體表現(xiàn)為：根據(jù)步驟(2)所得的三種單工況權(quán)重比，將多工況下的拓?fù)鋬?yōu)化情況轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，目標(biāo)函數(shù)為3個工況的加權(quán)柔度最小，對車身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時需采取對稱約束，使優(yōu)化結(jié)構(gòu)左右對稱。通過調(diào)節(jié)懲罰因子的大小，改變車架結(jié)構(gòu)的清晰程度，得到車架的主承載結(jié)構(gòu)。最終將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為iges曲面，導(dǎo)入到catia軟件中，繪制車架模型。

實現(xiàn)所述步驟(5)中對多工況下的最佳主結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部改善的具體表現(xiàn)為：通過對車架模型進(jìn)行多工況分析，得到車架主結(jié)構(gòu)，此時的主結(jié)構(gòu)車架具有邊界不清晰的問題，而步驟(2)中所得的單工況承載結(jié)構(gòu)可以幫助理解車架的結(jié)構(gòu)性能，所得結(jié)構(gòu)較為清晰，可以彌補主結(jié)構(gòu)局部邊界不清晰的缺陷。通過對主結(jié)構(gòu)與單工況結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合對比，合理調(diào)整桿件分布方式，最終形成一個具有較好均勻承載能力的空間框架結(jié)構(gòu)；

本發(fā)明的有益效果：

根據(jù)對多工況分析獲得主結(jié)構(gòu)，對單工況分析獲得局部結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)與局部結(jié)構(gòu)互補從而形成一個性能互補的空間框架結(jié)構(gòu)，在增強車架彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度的同時，改善整體受力狀況，使車身受到的載荷能夠均勻地傳遞到主結(jié)構(gòu)上，從而獲得結(jié)構(gòu)合理、設(shè)計單元少，，易加工的承載均衡的桁架式車架；

附圖說明

圖1為本發(fā)明車身骨架的底部骨架俯視圖；

圖2為本發(fā)明車身骨架的左側(cè)圍骨架主視圖；

圖3為本發(fā)明主視圖；

圖4為本發(fā)明俯視圖；

圖5為本發(fā)明軸視圖；

圖6為本發(fā)明側(cè)視圖；

圖中：1.主梁1a.上主梁1b.下主梁2.主橫梁2a.前主下橫梁3.斜梁4.防滾架5.防滾架斜撐6.前隔板7.加強梁8.第二副主梁9.座椅安裝梁

具體實施方式

參閱圖1所示，本發(fā)明的跑車車架，采用主梁1和主橫梁2為承載結(jié)構(gòu)。主梁1為存在一定弧度的彎梁結(jié)構(gòu)，俯視圖下，主梁1與主橫梁2構(gòu)成前窄后寬形式，側(cè)視圖下，上主梁1a在車架后部向下彎折，下主梁1b在后部向上彎折，在車架后部將上主梁1a與下主梁1b焊接在一起，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，具有較好的整體性，利于車架造型。主梁1以及主橫梁2及主要承載結(jié)構(gòu)均采用直徑較大的圓形鋼管，提高承載能力。

本實施例中，所述的多根斜梁3在同側(cè)主梁1間通過對接形成多個三角結(jié)構(gòu)，所述的三角結(jié)構(gòu)根據(jù)發(fā)動機及座椅與人的布置方式所形成的由車架前部到車架后部的密—疏—密的排列方式。三角結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性，剛性大，不易變形，將車架所受的沖擊力均衡的傳遞給車架的其他部位，提高均衡承載能力，改善局部剛度過大的問題。

在本實施例中，所述的前隔板6由四根封閉鋼管以及兩根加強梁7所構(gòu)成。所述的四根封閉鋼管形成平面矩形結(jié)構(gòu)，兩根加強梁7形成三個三角形結(jié)構(gòu)，兩個加強梁7尺寸相等，下端對接焊接在前主下橫梁2a的中間，縱向?qū)ΨQ設(shè)置，承載力傳送分配更合理。

本實施例中，車架后部的座椅安裝梁8及其上方的第二副主梁9除用于座椅安裝外還具有隔離傳動軸的作用，同側(cè)所述兩梁間存在多根斜梁3通過對接形成的多個三角結(jié)構(gòu)，協(xié)同受力均衡承載。

本實施例中，車架所有結(jié)構(gòu)均具有縱向?qū)ΨQ設(shè)置，設(shè)計單元少，三角結(jié)構(gòu)多，具有結(jié)構(gòu)強度好，承載能力強，外形美觀。

結(jié)合附圖，以一款前置后驅(qū)桁架式跑車車身結(jié)構(gòu)方案設(shè)計為例，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計流程，包括如下步驟：

(1)根據(jù)車輛的各總成布置形式及總體尺寸確定設(shè)計空間，提取車輛外形主要參數(shù)，獲得車架整體的外形特征。此款兩人座的前置后驅(qū)桁架式跑車車身總車長3050mm、座艙寬1150mm、發(fā)動機艙寬610mm、車高485mm、軸距2430mm。為了簡化實際模型，將復(fù)雜曲面轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫嬉詼p少曲面過渡，桁架式車架不形成封閉空間，因此乘坐人員上方應(yīng)無封閉設(shè)計面，并將車身模型作為主要的分析對象，確定其所受彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎三種單工況下的載荷分布情況。車輛在行駛過程中，主要承受靜載荷和動載荷，在優(yōu)化過程中，應(yīng)將發(fā)動機，座椅及人，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等靜載荷根據(jù)其具體質(zhì)量參數(shù)及質(zhì)心位置坐標(biāo)以集中或均布載荷的方式加載在車身模型上，座椅及人、油箱、轉(zhuǎn)向器等與車架直接相連，因此將這些零部件的垂直載荷直接作用在車架相應(yīng)位置，為符合實際情況，以小面積均布載荷形式分配到相應(yīng)節(jié)點對于各工況的模擬；而對于發(fā)動機，傳動軸等因其作用點較為集中應(yīng)以集中載荷的方式加載在車身上。發(fā)動機重力為3000n、傳動軸重力為1500n、座椅及人6000n、油箱650n、轉(zhuǎn)向器240n；彎曲工況，模擬車輛滿載時四輪著地勻速直線行駛的狀態(tài)，在該工況下，車架的變形主要是垂直方向，所承受的載荷需要乘以一定的動載系數(shù)，現(xiàn)有研究表明，在對車架彎曲工況模擬時，最大動載系數(shù)應(yīng)不超過2.5，因此動載系數(shù)取為2.0；扭轉(zhuǎn)工況，模擬車輛在行駛過程中前輪由于受到地面?zhèn)鱽淼牟煌まD(zhuǎn)力作用，車身發(fā)生變形的情況，在扭轉(zhuǎn)工況中，車架承受的載荷在鉛垂方向與彎曲工況基本一致，左右前懸架支撐處加載大小相等方向相反的垂向力；轉(zhuǎn)彎工況是模擬汽車轉(zhuǎn)彎時，車身骨架在橫向慣性力與垂向載荷綜合作用下的響應(yīng)情況，車架承受的載荷在鉛垂方向與彎曲工況基本一致，在車身骨架質(zhì)心處施加橫向加速度模擬橫向載荷，考慮到賽車的激烈駕駛，根據(jù)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗的最大側(cè)向載荷確定此時的橫向加速度為1g；

(2)對車身結(jié)構(gòu)模型施加根據(jù)步驟(1)確定的三種單工況下的載荷邊界條件，通過調(diào)節(jié)懲罰因子，獲得清楚的結(jié)構(gòu)，即分別在三種工況作用下得到的主承載結(jié)構(gòu)；通過對此三種結(jié)構(gòu)的分析，分別得出車架在彎曲，扭轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎三種工況下的載荷傳遞路徑，利于后期對主結(jié)構(gòu)局部邊界不清晰處進(jìn)行修改；

(3)根據(jù)工況的重要程度分配不同的權(quán)重比，采用配對比較的方法,兩兩比較工況間的重要性比值,即工況1的重要程度權(quán)重比為a1,工況2的重要程度權(quán)重比為a2,則工況1對工況2的重要性比值即為a1/a2,若存在n個單工況，則應(yīng)得出n(n-1)/2個比值，本方法只選取最經(jīng)典的三種工況，即彎曲、扭轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎三種工況的重要程度權(quán)重比分別為a1、a2、a3，假設(shè)重要性比值a1/a2為3，a1/a3為7，a2/a3為5，給出如下配對比較矩陣

cr＝ci/rici＝(λmax-n)/(n-1)

ci為一致性指標(biāo)，每個判斷矩陣都能導(dǎo)出一個一致性比cr,若此值小于0.1,則可以判定該矩陣的一致性可以接受；否則應(yīng)重新假設(shè)再次分析計算，直至滿足。ri為隨機產(chǎn)生矩陣的一致性指標(biāo)，此時對應(yīng)的特征向量,即為3個工況的所對應(yīng)得權(quán)重比。本實施例中，λmax＝3.0649、cr＝0.0559<0.1，故一致性可接受，彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎三種工況的權(quán)重比為0.9140、0.3928、0.1013；

根據(jù)步驟(3)所得的三種單工況的權(quán)重比，對車架模型進(jìn)行多工況結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分析獲到桁架式車架的主要結(jié)構(gòu)；將多工況下的拓?fù)鋬?yōu)化情況轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，目標(biāo)函數(shù)為3個工況的加權(quán)柔度最小，對車身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時需采取對稱約束，使最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)左右對稱。通過調(diào)節(jié)懲罰因子的大小，改變車架結(jié)構(gòu)的清晰程度，得到車架的主承載結(jié)構(gòu)。

(5)通過對最佳權(quán)重比確定的聯(lián)合工況的分析，獲得主車架結(jié)構(gòu)，對多工況條件下分析所得的車架結(jié)構(gòu)根據(jù)步驟(2)所得結(jié)果進(jìn)行局部改善，綜合對比，合理調(diào)整桿件分布方式，采用主梁之間疏密相間的三角結(jié)構(gòu)，使車架底部強側(cè)與承載能力較弱的側(cè)圍(前部側(cè)圍)互補，弱側(cè)與承載能力較強的側(cè)圍(后部側(cè)圍)互補，在側(cè)圍部分構(gòu)成一個均勻承載的“密—疏—密”式空間框架結(jié)構(gòu)；底部骨架如圖1、側(cè)圍骨架如圖2；即根據(jù)多工況分析獲得主結(jié)構(gòu)，根據(jù)單工況分析獲得局部結(jié)構(gòu)，將主結(jié)構(gòu)與局部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為iges曲面，導(dǎo)入到catia軟件中，形成主結(jié)構(gòu)與局部結(jié)構(gòu)互補的優(yōu)化車架模型。

(6)對步驟(5)中優(yōu)化后所得到的結(jié)果考慮加工工藝性，在功能性方面需要注意的是：1)拓?fù)鋬?yōu)化時載荷的施加位置與車身的實際受力情況存在一定的差別，故車身關(guān)鍵的連接點應(yīng)盡量與設(shè)計參數(shù)一致；2)車架的catia模型不得與車輛的運動部件相互干涉，如前后輪胎的跳動、前輪的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)向拉桿的運動等。在制造工藝性方面需要注意的是：1)桁架式車架的鋼管走向應(yīng)當(dāng)盡量采用平面曲線并保證圓滑過渡，避免小半徑的圓弧或過多的折線，否則將會造成鋼管過分拉伸或褶皺，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和裂紋等現(xiàn)象；2)在滿足車身結(jié)構(gòu)剛度的前提下，應(yīng)盡量減少鋼管數(shù)量和鋼管厚度；3)應(yīng)當(dāng)避免多根鋼管焊接于同一位置，造成焊接的不便。

(6)對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)的必要改動，以危險應(yīng)力判斷是否滿足強度條件，結(jié)構(gòu)中各點的危險應(yīng)力定義為滿載彎曲工況、左前輪懸空工況、轉(zhuǎn)彎工況。重復(fù)步驟(2)～(6)，直至結(jié)構(gòu)滿足強度、剛度的要求；利用本發(fā)明中的桁架式車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法可以改善車身整體受力狀況，避免產(chǎn)生局部剛度不均勻的問題，通過合理的剛度匹配，使車身結(jié)構(gòu)整體形成一個均勻承載的整體；

根據(jù)本發(fā)明設(shè)計流程，申請人設(shè)計了一款總車長3050mm、座艙寬1150mm、發(fā)動機艙寬610mm、車高485mm、軸距2430mm的兩人座的前置后驅(qū)桁架式跑車的車身結(jié)構(gòu)方案，該車的車身結(jié)構(gòu)詳見附圖1至附圖6。對所設(shè)計的車架進(jìn)行強度、剛度校核，其最大應(yīng)力均小于材料屈服極限，即設(shè)計合理；

車身結(jié)構(gòu)性能的分析結(jié)果如下：

車身滿載彎曲工況最大應(yīng)力為：165mpa；

車身左輪懸空工況最大應(yīng)力為：145mpa；

車身轉(zhuǎn)彎工況最大應(yīng)力為：158.6mpa；

材料(q235)屈服極限：235mpa。