某SUV白車身模態分析及優化設計

王宏宇

摘 要：文章介紹了某SUV車型的白車身模態分析，并針對計算結果對車身結構和布局進行優化，使整車剛度趨于合理。優化結果顯示：優化后結構、剛度更加合理，并且一階扭轉提高了4HZ，車身重量減少1.5KG。

關鍵詞：模態分析；結構優化；有限元分析

前言

現代汽車設計領域，有限元分析得到了廣泛的運用。車身作為汽車的關鍵總成，其力學特征對整車的動力學特征起關鍵作用。車身模態分析則關系到整車剛度、常規震動和車身減重。實踐證明對白車身結構進行有限元分析可以提前發現、避免相關的設計缺陷，及時整改、優化設計。從而縮短開發周期，節約試驗費用。

文章通過對白車身的模態分析對設計進行結構優化，使得車身結構局部模態和整體剛度特征滿足模態規劃要求。

1 有限元模型

有限元分析基本是利用一組離散化單元組集代替連續體機構進行分析，這種單元組集體稱結構力學模型。車身模型建立原則為能反映車身主要力學結構特征和邊界約束條件，其次可考慮在保證正確性的基礎上對模型進行適當的簡化。模型建立過程需考慮：模型的簡化、網絡劃分、材料屬性確定、單元選擇及模型的連接與裝配。為此對模型建立進行了如下處理：

1.1 模型建立采用了基準尺寸為10mm的QUASD4劃分SHELL單元，局部采用了大于3mm的小尺寸劃分，在非關鍵區域幾何過度區少量采用了TRIA3單元。TRIA3單元占總數的比率小于5%。

1.2 孔徑6mm～10mm，用方孔代替；孔徑大于10mm，保留孔，孔周圍兩圈偶數個單元，其他非重要小孔可忽略。

1.3 翻邊至少要劃分兩排網格，圓角大于3mm可以保留，螺栓用RIGID或梁連接。

1.4 焊點采用CWELD/ACM單元，方向同連接殼單元法向量平行。焊縫則采用CQUAD4和CTRIA3模擬，對不考察局部應力的情況下，有選擇性采用節點重合，并保證網絡的幾何匹配。

根據車身提供的數字模型，最終白車身帶玻璃有限元模型單元547，219，節點569，580個，見圖1。其中材料選擇見表1。

表1 材料屬性

2 模態分析

由于汽車上各個系統的相互關聯，模態規劃就是界定各個系統頻率范圍的過程，防止產生共振并提高整車的剛度。車身作為人的載體，直接同人的感受相聯系，同時白車身的模態對車身的貢獻達到了60%以上，對白車身的模態分析則顯得至關重要。

汽車行駛時要承受各種外界和內部的激勵源的激勵，圖2為激振傳遞圖。

四缸機750轉左右怠速下激振主頻率在25Hz和50Hz。額定功率行駛時5500*2/60=183 Hz。正常行駛時發動機的激振頻率源大于通常的整車模態，但怠速時激振頻率和白車身的低頻非常接近，怠速時容易引起車身共振[1]。

懸架的簧下質量為簧上的1/5～1/10，輪胎剛度是懸架彈簧的5～10倍，所以簧下質量的固有頻率比簧上要高5～10倍，bounce和pitch這兩個頻率一般控制在1Hz～2Hz， bounce比pitch要低1.2倍左右，這樣與步行時的頻率差不多，人體感覺在舒適范圍。輪胎不平衡引起的激勵，主要在11Hz以下。該激振較小，容易避免。

根據相關文獻，汽車在正常路面以低于車速在150km/h速度行駛時，路面的激勵頻率低于21Hz，所以汽車車身的固有頻率需高于21Hz，最好不低于25Hz的激振頻率[2]。傳動軸引起的激勵一般在40Hz以上，分量較小，對白車身的影響較小。方向盤一階模態在80Hz左右，縱向和橫向在35Hz左右。排氣系統一階垂向和橫向在24Hz左右。避免車廂空腔的低頻需避開第一階空腔共鳴頻率，該類型車型帶座椅的一階頻率一般在50～70Hz。車身壁板的結構模態則要避免與車廂的聲學模態耦合。

汽車的振動是各階模態振動的綜合表現。前幾階的整體模態起主要作用。從上述分析可以得出，主要的激勵來自路面對車輪的沖擊和發動機的振動。在設計汽車時，車身的固有頻率應有效避免相關的激振頻率，提高整車的舒適性及疲勞壽命。通常，Trimmed Body模態相對白車身模態下降5～10Hz。承載式車身的彎曲剛度一般高于扭轉剛度，要求之間能分開3Hz以上。

表2 模態分析結果

為避免相連系統出現共振，整車制定了車型頻率規劃。對白車身確定了如下標準：局部模態要求大于40Hz，第一階扭轉要求大于30Hz，第一階彎曲要求大于40Hz。通過計算和分析發現第一階扭轉小于30Hz，不滿足設計要求。同時D柱下加強板有優化空間，后背門上部局部模態不夠理想，因此在結構整改中，對相關的零件進行了結構優化。

3 模態優化措施

模態改進則本質是增加其自身剛度，改變其固有頻率分布，使質量分布更合理。

本次改進主要采用的方法為：

（1）重要接頭處加強焊接及合理設置加強筋，提高整體剛度。

（2）提升靈敏度較高的零件料厚，對靈敏度較低的零件采用降低料厚、挖孔或取消這類零件。重要接頭處加強焊接及合理設置加強筋，提高整體剛度。

（3）優化傳力路線，減少應力集中，改善應力分布。

除上述方法外，模態改進還可采用涂覆隔振板，激光拼焊，采用超輕鋼、鋁、塑料等材料等。表3為根據模態分析結果對結構優化后結果。

通過模態分析的應力應變分布圖，發現D柱下加強板的剛度貢獻值較小，而該件重量卻很大，考慮質量分布和剛度的關系，決定取消該件，將減少的重量應用到剛度貢獻更大的零件上。對上接頭應力集中處優化了傳力路徑，模態提高了1.27Hz。另外，對上接頭局部、輪罩撐板、小隔板處利用較小質量的加強板進行了局部加強。

根據零件的料厚靈敏度有針對性增加了靈敏度0.45以上的相應零件的料厚，表4，表5，以達到改善模態的效果。

表4 高靈敏度零件

表5 結構優化對質量和頻率影響結果

4 結語

文章以某SUV改進項目為例，通過建立整車結構有限元模型，幫助在改進設計過程中找出對整車模態影響的關鍵零部件及相應模態靈敏度，并對靈敏度較高的零件進行了改進優化。優化后白車身質量減少了1.5KG，一階扭轉提高了4HZ，滿足了項目對白車身模態的改進目標。

參考文獻

[1]傅志方，華宏星，模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.

摘 要：文章介紹了某SUV車型的白車身模態分析，并針對計算結果對車身結構和布局進行優化，使整車剛度趨于合理。優化結果顯示：優化后結構、剛度更加合理，并且一階扭轉提高了4HZ，車身重量減少1.5KG。

關鍵詞：模態分析；結構優化；有限元分析

前言

現代汽車設計領域，有限元分析得到了廣泛的運用。車身作為汽車的關鍵總成，其力學特征對整車的動力學特征起關鍵作用。車身模態分析則關系到整車剛度、常規震動和車身減重。實踐證明對白車身結構進行有限元分析可以提前發現、避免相關的設計缺陷，及時整改、優化設計。從而縮短開發周期，節約試驗費用。

文章通過對白車身的模態分析對設計進行結構優化，使得車身結構局部模態和整體剛度特征滿足模態規劃要求。

1 有限元模型

有限元分析基本是利用一組離散化單元組集代替連續體機構進行分析，這種單元組集體稱結構力學模型。車身模型建立原則為能反映車身主要力學結構特征和邊界約束條件，其次可考慮在保證正確性的基礎上對模型進行適當的簡化。模型建立過程需考慮：模型的簡化、網絡劃分、材料屬性確定、單元選擇及模型的連接與裝配。為此對模型建立進行了如下處理：

1.1 模型建立采用了基準尺寸為10mm的QUASD4劃分SHELL單元，局部采用了大于3mm的小尺寸劃分，在非關鍵區域幾何過度區少量采用了TRIA3單元。TRIA3單元占總數的比率小于5%。

1.2 孔徑6mm～10mm，用方孔代替；孔徑大于10mm，保留孔，孔周圍兩圈偶數個單元，其他非重要小孔可忽略。

1.3 翻邊至少要劃分兩排網格，圓角大于3mm可以保留，螺栓用RIGID或梁連接。

1.4 焊點采用CWELD/ACM單元，方向同連接殼單元法向量平行。焊縫則采用CQUAD4和CTRIA3模擬，對不考察局部應力的情況下，有選擇性采用節點重合，并保證網絡的幾何匹配。

根據車身提供的數字模型，最終白車身帶玻璃有限元模型單元547，219，節點569，580個，見圖1。其中材料選擇見表1。

表1 材料屬性

2 模態分析

由于汽車上各個系統的相互關聯，模態規劃就是界定各個系統頻率范圍的過程，防止產生共振并提高整車的剛度。車身作為人的載體，直接同人的感受相聯系，同時白車身的模態對車身的貢獻達到了60%以上，對白車身的模態分析則顯得至關重要。

汽車行駛時要承受各種外界和內部的激勵源的激勵，圖2為激振傳遞圖。

四缸機750轉左右怠速下激振主頻率在25Hz和50Hz。額定功率行駛時5500*2/60=183 Hz。正常行駛時發動機的激振頻率源大于通常的整車模態，但怠速時激振頻率和白車身的低頻非常接近，怠速時容易引起車身共振[1]。

懸架的簧下質量為簧上的1/5～1/10，輪胎剛度是懸架彈簧的5～10倍，所以簧下質量的固有頻率比簧上要高5～10倍，bounce和pitch這兩個頻率一般控制在1Hz～2Hz， bounce比pitch要低1.2倍左右，這樣與步行時的頻率差不多，人體感覺在舒適范圍。輪胎不平衡引起的激勵，主要在11Hz以下。該激振較小，容易避免。

根據相關文獻，汽車在正常路面以低于車速在150km/h速度行駛時，路面的激勵頻率低于21Hz，所以汽車車身的固有頻率需高于21Hz，最好不低于25Hz的激振頻率[2]。傳動軸引起的激勵一般在40Hz以上，分量較小，對白車身的影響較小。方向盤一階模態在80Hz左右，縱向和橫向在35Hz左右。排氣系統一階垂向和橫向在24Hz左右。避免車廂空腔的低頻需避開第一階空腔共鳴頻率，該類型車型帶座椅的一階頻率一般在50～70Hz。車身壁板的結構模態則要避免與車廂的聲學模態耦合。

汽車的振動是各階模態振動的綜合表現。前幾階的整體模態起主要作用。從上述分析可以得出，主要的激勵來自路面對車輪的沖擊和發動機的振動。在設計汽車時，車身的固有頻率應有效避免相關的激振頻率，提高整車的舒適性及疲勞壽命。通常，Trimmed Body模態相對白車身模態下降5～10Hz。承載式車身的彎曲剛度一般高于扭轉剛度，要求之間能分開3Hz以上。

表2 模態分析結果

為避免相連系統出現共振，整車制定了車型頻率規劃。對白車身確定了如下標準：局部模態要求大于40Hz，第一階扭轉要求大于30Hz，第一階彎曲要求大于40Hz。通過計算和分析發現第一階扭轉小于30Hz，不滿足設計要求。同時D柱下加強板有優化空間，后背門上部局部模態不夠理想，因此在結構整改中，對相關的零件進行了結構優化。

3 模態優化措施

模態改進則本質是增加其自身剛度，改變其固有頻率分布，使質量分布更合理。

本次改進主要采用的方法為：

（1）重要接頭處加強焊接及合理設置加強筋，提高整體剛度。

（2）提升靈敏度較高的零件料厚，對靈敏度較低的零件采用降低料厚、挖孔或取消這類零件。重要接頭處加強焊接及合理設置加強筋，提高整體剛度。

（3）優化傳力路線，減少應力集中，改善應力分布。

除上述方法外，模態改進還可采用涂覆隔振板，激光拼焊，采用超輕鋼、鋁、塑料等材料等。表3為根據模態分析結果對結構優化后結果。

通過模態分析的應力應變分布圖，發現D柱下加強板的剛度貢獻值較小，而該件重量卻很大，考慮質量分布和剛度的關系，決定取消該件，將減少的重量應用到剛度貢獻更大的零件上。對上接頭應力集中處優化了傳力路徑，模態提高了1.27Hz。另外，對上接頭局部、輪罩撐板、小隔板處利用較小質量的加強板進行了局部加強。

根據零件的料厚靈敏度有針對性增加了靈敏度0.45以上的相應零件的料厚，表4，表5，以達到改善模態的效果。

表4 高靈敏度零件

表5 結構優化對質量和頻率影響結果

4 結語

文章以某SUV改進項目為例，通過建立整車結構有限元模型，幫助在改進設計過程中找出對整車模態影響的關鍵零部件及相應模態靈敏度，并對靈敏度較高的零件進行了改進優化。優化后白車身質量減少了1.5KG，一階扭轉提高了4HZ，滿足了項目對白車身模態的改進目標。

參考文獻

[1]傅志方，華宏星，模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.

摘 要：文章介紹了某SUV車型的白車身模態分析，并針對計算結果對車身結構和布局進行優化，使整車剛度趨于合理。優化結果顯示：優化后結構、剛度更加合理，并且一階扭轉提高了4HZ，車身重量減少1.5KG。

關鍵詞：模態分析；結構優化；有限元分析

前言

現代汽車設計領域，有限元分析得到了廣泛的運用。車身作為汽車的關鍵總成，其力學特征對整車的動力學特征起關鍵作用。車身模態分析則關系到整車剛度、常規震動和車身減重。實踐證明對白車身結構進行有限元分析可以提前發現、避免相關的設計缺陷，及時整改、優化設計。從而縮短開發周期，節約試驗費用。

文章通過對白車身的模態分析對設計進行結構優化，使得車身結構局部模態和整體剛度特征滿足模態規劃要求。

1 有限元模型

有限元分析基本是利用一組離散化單元組集代替連續體機構進行分析，這種單元組集體稱結構力學模型。車身模型建立原則為能反映車身主要力學結構特征和邊界約束條件，其次可考慮在保證正確性的基礎上對模型進行適當的簡化。模型建立過程需考慮：模型的簡化、網絡劃分、材料屬性確定、單元選擇及模型的連接與裝配。為此對模型建立進行了如下處理：

1.1 模型建立采用了基準尺寸為10mm的QUASD4劃分SHELL單元，局部采用了大于3mm的小尺寸劃分，在非關鍵區域幾何過度區少量采用了TRIA3單元。TRIA3單元占總數的比率小于5%。

1.2 孔徑6mm～10mm，用方孔代替；孔徑大于10mm，保留孔，孔周圍兩圈偶數個單元，其他非重要小孔可忽略。

1.3 翻邊至少要劃分兩排網格，圓角大于3mm可以保留，螺栓用RIGID或梁連接。

1.4 焊點采用CWELD/ACM單元，方向同連接殼單元法向量平行。焊縫則采用CQUAD4和CTRIA3模擬，對不考察局部應力的情況下，有選擇性采用節點重合，并保證網絡的幾何匹配。

根據車身提供的數字模型，最終白車身帶玻璃有限元模型單元547，219，節點569，580個，見圖1。其中材料選擇見表1。

表1 材料屬性

2 模態分析

由于汽車上各個系統的相互關聯，模態規劃就是界定各個系統頻率范圍的過程，防止產生共振并提高整車的剛度。車身作為人的載體，直接同人的感受相聯系，同時白車身的模態對車身的貢獻達到了60%以上，對白車身的模態分析則顯得至關重要。

汽車行駛時要承受各種外界和內部的激勵源的激勵，圖2為激振傳遞圖。

四缸機750轉左右怠速下激振主頻率在25Hz和50Hz。額定功率行駛時5500*2/60=183 Hz。正常行駛時發動機的激振頻率源大于通常的整車模態，但怠速時激振頻率和白車身的低頻非常接近，怠速時容易引起車身共振[1]。

懸架的簧下質量為簧上的1/5～1/10，輪胎剛度是懸架彈簧的5～10倍，所以簧下質量的固有頻率比簧上要高5～10倍，bounce和pitch這兩個頻率一般控制在1Hz～2Hz， bounce比pitch要低1.2倍左右，這樣與步行時的頻率差不多，人體感覺在舒適范圍。輪胎不平衡引起的激勵，主要在11Hz以下。該激振較小，容易避免。

根據相關文獻，汽車在正常路面以低于車速在150km/h速度行駛時，路面的激勵頻率低于21Hz，所以汽車車身的固有頻率需高于21Hz，最好不低于25Hz的激振頻率[2]。傳動軸引起的激勵一般在40Hz以上，分量較小，對白車身的影響較小。方向盤一階模態在80Hz左右，縱向和橫向在35Hz左右。排氣系統一階垂向和橫向在24Hz左右。避免車廂空腔的低頻需避開第一階空腔共鳴頻率，該類型車型帶座椅的一階頻率一般在50～70Hz。車身壁板的結構模態則要避免與車廂的聲學模態耦合。

汽車的振動是各階模態振動的綜合表現。前幾階的整體模態起主要作用。從上述分析可以得出，主要的激勵來自路面對車輪的沖擊和發動機的振動。在設計汽車時，車身的固有頻率應有效避免相關的激振頻率，提高整車的舒適性及疲勞壽命。通常，Trimmed Body模態相對白車身模態下降5～10Hz。承載式車身的彎曲剛度一般高于扭轉剛度，要求之間能分開3Hz以上。

表2 模態分析結果

為避免相連系統出現共振，整車制定了車型頻率規劃。對白車身確定了如下標準：局部模態要求大于40Hz，第一階扭轉要求大于30Hz，第一階彎曲要求大于40Hz。通過計算和分析發現第一階扭轉小于30Hz，不滿足設計要求。同時D柱下加強板有優化空間，后背門上部局部模態不夠理想，因此在結構整改中，對相關的零件進行了結構優化。

3 模態優化措施

模態改進則本質是增加其自身剛度，改變其固有頻率分布，使質量分布更合理。

本次改進主要采用的方法為：

（1）重要接頭處加強焊接及合理設置加強筋，提高整體剛度。

（2）提升靈敏度較高的零件料厚，對靈敏度較低的零件采用降低料厚、挖孔或取消這類零件。重要接頭處加強焊接及合理設置加強筋，提高整體剛度。

（3）優化傳力路線，減少應力集中，改善應力分布。

除上述方法外，模態改進還可采用涂覆隔振板，激光拼焊，采用超輕鋼、鋁、塑料等材料等。表3為根據模態分析結果對結構優化后結果。

通過模態分析的應力應變分布圖，發現D柱下加強板的剛度貢獻值較小，而該件重量卻很大，考慮質量分布和剛度的關系，決定取消該件，將減少的重量應用到剛度貢獻更大的零件上。對上接頭應力集中處優化了傳力路徑，模態提高了1.27Hz。另外，對上接頭局部、輪罩撐板、小隔板處利用較小質量的加強板進行了局部加強。

根據零件的料厚靈敏度有針對性增加了靈敏度0.45以上的相應零件的料厚，表4，表5，以達到改善模態的效果。

表4 高靈敏度零件

表5 結構優化對質量和頻率影響結果

4 結語

文章以某SUV改進項目為例，通過建立整車結構有限元模型，幫助在改進設計過程中找出對整車模態影響的關鍵零部件及相應模態靈敏度，并對靈敏度較高的零件進行了改進優化。優化后白車身質量減少了1.5KG，一階扭轉提高了4HZ，滿足了項目對白車身模態的改進目標。

參考文獻

[1]傅志方，華宏星，模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.