基于模態(tài)分析的某皮卡發(fā)動(dòng)機(jī)罩分析方法研究

操芹，夏鵬飛，汪軻，孫偉卿

（東風(fēng)汽車(chē)股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢 430057）

設(shè)計(jì)研究

基于模態(tài)分析的某皮卡發(fā)動(dòng)機(jī)罩分析方法研究

操芹，夏鵬飛，汪軻，孫偉卿

（東風(fēng)汽車(chē)股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢 430057）

對(duì)某皮卡發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行模態(tài)分析，要求避開(kāi)共振區(qū)間，同時(shí)具有一定的彎曲剛度。對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行彎曲剛度分析，分析結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。在整車(chē)上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與分析結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，證明了該發(fā)動(dòng)機(jī)罩仿真模型的正確性；同時(shí)在后續(xù)的整車(chē)路試中，該發(fā)動(dòng)機(jī)罩沒(méi)有出現(xiàn)振動(dòng)、開(kāi)裂、凹陷等問(wèn)題，進(jìn)一步說(shuō)明了該發(fā)動(dòng)機(jī)罩分析方法的正確性。

皮卡發(fā)動(dòng)機(jī)罩；模態(tài)分析；模態(tài)測(cè)試；彎曲剛度

CLC NO.:U463 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-01-04

前言

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩屬于開(kāi)閉件，是汽車(chē)上易振動(dòng)的部件，它的性能直接影響了整車(chē)的 NVH性能、碰撞安全性及整車(chē)外觀品質(zhì)等。而汽車(chē)更是由多個(gè)總成組成，通過(guò)懸架、懸置、鉸鏈等連接在一起，汽車(chē)的 NVH性能不僅僅由這些總成各自的NVH性能決定，更重要的是這些總成之間的相互影響。為了保證某皮卡發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的 NVH性能及整車(chē)品質(zhì)，在該發(fā)動(dòng)機(jī)罩設(shè)計(jì)初期要求對(duì)其模態(tài)特性進(jìn)行考察，對(duì)其主要承載狀態(tài)的剛度，即彎曲剛度，進(jìn)行評(píng)估，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)罩有合理的動(dòng)態(tài)剛度和靜態(tài)剛度特性。

要求該皮卡發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)頻率避開(kāi)動(dòng)力總成怠速頻率，同時(shí)避開(kāi)白車(chē)身一階頻率，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)罩在整車(chē)上不會(huì)發(fā)生共振。而發(fā)動(dòng)機(jī)罩在使用過(guò)程中常常會(huì)受到外載荷的作用，如人為的按壓、積雪等靜載荷，以及行駛過(guò)程中的振動(dòng)動(dòng)載荷等，進(jìn)一步要求該發(fā)動(dòng)機(jī)罩能抵抗一定的變形，以保證外觀品質(zhì)。

1、發(fā)動(dòng)機(jī)罩自由模態(tài)分析

1.1 模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)

模態(tài)分析方法提供了研究各類(lèi)振動(dòng)特性的一條有效途徑，它能識(shí)別出結(jié)構(gòu)物在某一頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化提供依據(jù)。而模態(tài)分析的意義在于將線性時(shí)不變系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，坐標(biāo)變換的變換矩陣為振動(dòng)矩陣，其每列即為各階振型，即模態(tài)分析是求解結(jié)構(gòu)的各階固有頻率及其對(duì)應(yīng)的振型。多自由度離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為[1]：

式中：{x}為系統(tǒng)廣義位移向量；

{f}為多自由度激振力向量；

[M]為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；

[C]為系統(tǒng)的阻尼矩陣；

[K]為系統(tǒng)的剛度矩陣。

固有頻率是結(jié)構(gòu)本身的固有特性，與外界載荷無(wú)關(guān)，所以自由模態(tài)計(jì)算沒(méi)有任何邊界條件。固有頻率表征其結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，是系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的特征值。發(fā)動(dòng)機(jī)罩自由振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程為：

因結(jié)構(gòu)的阻尼對(duì)其模態(tài)頻率及振型的影響很小，可不考慮阻尼，則系統(tǒng)的振動(dòng)方程為：

設(shè)振動(dòng)方程的同步運(yùn)動(dòng)解為：

將式（4）代入式（3）中，即可得發(fā)動(dòng)機(jī)罩系統(tǒng)的固有頻率ωi和主振型{Hi}。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩有限元模型

某皮卡發(fā)動(dòng)機(jī)罩自由模態(tài)分析的數(shù)模包括發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板、內(nèi)板、加強(qiáng)板、鉸鏈、發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖扣 ，如圖1所示。將三維CAD數(shù)模導(dǎo)入軟件Hypermesh中進(jìn)行幾何清理，去掉較小的圓角、孔等幾何特征，采用殼單元來(lái)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格基本尺寸為 10mm，發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板與內(nèi)板的包邊采用實(shí)際料厚的殼單元模擬，外板與內(nèi)板之間的涂膠采用六面體 hexa單元類(lèi)型模擬，焊點(diǎn)用acm單元類(lèi)型模擬[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成有限元模型單元數(shù)37222，三角形單元比例trias =3.5 %。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩自由模態(tài)分析結(jié)果：一階頻率25.3Hz，振型是扭轉(zhuǎn)，如圖2所示；二階頻率45Hz,振型的內(nèi)外板的局部模態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)罩的共振一般發(fā)生在低階頻率范圍，所以重點(diǎn)考察一階頻率。

該皮卡動(dòng)力總成怠速時(shí)轉(zhuǎn)速為750r/min±50，即怠速振動(dòng)頻率區(qū)間為 23.3Hz-26.7Hz；而白車(chē)身一階扭轉(zhuǎn)頻率為40Hz。發(fā)動(dòng)機(jī)罩一階扭轉(zhuǎn)頻率 25.3Hz遠(yuǎn)低于白車(chē)身的一階扭轉(zhuǎn)頻率，但處于該皮卡動(dòng)力總成怠速振動(dòng)頻率區(qū)間，容易發(fā)生共振，需要避開(kāi)該區(qū)間。一般可以向兩個(gè)方向改進(jìn)優(yōu)化，一個(gè)是提高該發(fā)動(dòng)機(jī)罩的一階扭轉(zhuǎn)頻率，另一個(gè)就是降低該發(fā)動(dòng)機(jī)罩的一階扭轉(zhuǎn)頻率，但考慮到提高一階扭轉(zhuǎn)頻率后，還需要考慮開(kāi)空調(diào)時(shí)動(dòng)力總成怠速時(shí)轉(zhuǎn)速的提升，所以選擇通過(guò)降低一階扭轉(zhuǎn)頻率來(lái)避開(kāi)共振區(qū)間，同時(shí)還需注意一階扭轉(zhuǎn)頻率不可降低過(guò)多，以免發(fā)動(dòng)機(jī)罩剛性不足。

1.3 基于模態(tài)分析的內(nèi)板優(yōu)化改進(jìn)

發(fā)動(dòng)機(jī)罩外造型已經(jīng)凍結(jié)，對(duì)外板進(jìn)行更改較困難，最好的方式就是通過(guò)更改發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板來(lái)降低其一階扭轉(zhuǎn)頻率[3]。方案一：將發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板中間筋的寬度減小20mm，同時(shí)將內(nèi)板上貫穿的凹槽加深3mm，如圖3所示。

方案一自由模態(tài)分析結(jié)果：一階頻率23.8Hz，二階頻率42Hz，振型均沒(méi)有發(fā)生變化。

方案一的一階扭轉(zhuǎn)頻率降低了 1.5Hz，說(shuō)明改進(jìn)方向是正確的，但依然處于動(dòng)力總成怠速振動(dòng)頻率區(qū)間 23.3Hz-26.7Hz，還需繼續(xù)改進(jìn)。

方案二：在方案一的基礎(chǔ)上，將發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板中間的加強(qiáng)筋寬度減小 8mm；將整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)罩折彎槽的深度加深3mm，同時(shí)將中間兩段折彎槽上移至加強(qiáng)筋匯合處，如圖 4所示。

方案二自由模態(tài)分析結(jié)果：一階頻率22.4Hz，二階頻率38.6Hz，振型均沒(méi)有發(fā)生變化。

方案二的一階扭轉(zhuǎn)頻率避開(kāi)了動(dòng)力總成怠速振動(dòng)頻率區(qū)間，且與競(jìng)品發(fā)動(dòng)機(jī)罩一階扭轉(zhuǎn)頻率22.5Hz相當(dāng)，就發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)分析而言，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2、發(fā)動(dòng)機(jī)罩彎曲剛度分析

考核發(fā)動(dòng)機(jī)罩在垂向方向上的整體彎曲剛度。在發(fā)動(dòng)機(jī)罩左鉸鏈軸心處約束自由度 12346，右鉸鏈軸心處約束自由度1346，約束左右橡膠墊塊自由度3，并在發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板幾何中心 75X75mm范圍內(nèi)加載150N的均布力，如圖5所示。

圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)罩彎曲剛度位移云圖，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表一：

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩彎曲剛度計(jì)算結(jié)果

方案二的彎曲剛度比原數(shù)模降低了7.5%，而競(jìng)品彎曲剛度為53N/mm，方案二彎曲剛度比競(jìng)品降低了3%，考慮材料的性能及沖壓制造工藝的影響，認(rèn)為方案二的彎曲剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3、發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)測(cè)試

振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。在靜止?fàn)顟B(tài)下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行敲打激勵(lì)，測(cè)量激振力與響應(yīng)并進(jìn)行雙通道快速傅里葉變換分析，得到任意兩點(diǎn)間的導(dǎo)納函數(shù)，通過(guò)對(duì)該導(dǎo)納函數(shù)的擬合識(shí)別出發(fā)動(dòng)機(jī)罩的模態(tài)參數(shù)，這就是發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)測(cè)試原理。采用 LMS公司模態(tài)測(cè)試設(shè)備SPECTRAL ACQUISTION采集軟件測(cè)試各測(cè)點(diǎn)三向頻響函數(shù)，模態(tài)參數(shù)識(shí)別采用LMS公司MODEL ANSLYSIS分析軟件中的模態(tài)分析軟件POLYMAX分析，LMS測(cè)試設(shè)備的模態(tài)向量容差為2%，固有頻率容差為1%，模態(tài)阻尼容差為5%。

在發(fā)動(dòng)機(jī)罩上貼上振動(dòng)加速度傳感器如圖7所示，選取兩個(gè)激振點(diǎn)進(jìn)行比較測(cè)試：發(fā)動(dòng)機(jī)罩的中部和右上角位置，用激振錘敲擊激振點(diǎn)[4]，測(cè)試結(jié)果如圖8、9所示。

由圖 8和圖 9可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)罩的一階模態(tài)頻率為22.3Hz，二階模態(tài)頻率為37.9Hz。表二為發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)分析與模態(tài)測(cè)試的結(jié)果比較，兩者誤差小于 3%，說(shuō)明所建立的仿真模型很好的反映了結(jié)構(gòu)的實(shí)際振動(dòng)特性。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)仿真與模態(tài)測(cè)試的結(jié)果比較

模態(tài)測(cè)試的結(jié)果比仿真結(jié)果略小，發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)分析是單獨(dú)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成進(jìn)行的仿真，而模態(tài)測(cè)試則是在整車(chē)裝配狀態(tài)下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成進(jìn)行的測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)罩與白車(chē)身鉸鏈連接處的剛度對(duì)模態(tài)測(cè)試結(jié)果有影響，因此測(cè)試結(jié)果偏低。

4、結(jié)論

本文對(duì)某皮卡發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行自由模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)其一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)25.3Hz處于該皮卡動(dòng)力總成怠速振動(dòng)頻率區(qū)間，為了避免產(chǎn)生共振，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為22.4Hz，避免了與其動(dòng)力總成怠速時(shí)產(chǎn)生共振。同時(shí)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真分析結(jié)果誤差在 3%以內(nèi)，證明了該發(fā)動(dòng)機(jī)罩仿真模型的正確性。

該皮卡發(fā)動(dòng)機(jī)罩彎曲剛度比競(jìng)品低3%，在樣車(chē)進(jìn)行商品信息評(píng)價(jià)時(shí)順利通過(guò)外觀品質(zhì)評(píng)價(jià)；在后續(xù)的整車(chē)路試中，該皮卡沒(méi)有出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)罩振動(dòng)過(guò)大、開(kāi)裂、凹陷等問(wèn)題。在新車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩進(jìn)行模態(tài)分析和彎曲剛度分析的方法已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)流程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

[1] 傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用.上海交通大學(xué)出版社,2000.

[2] 于開(kāi)平，周傳月，譚惠豐等.HyperMesh從入門(mén)到精通[M]. 科學(xué)出版社,20005.

[3] 石琴，盧利平.基于有限元分析的發(fā)動(dòng)機(jī)罩拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(6)：31-33.

[4] 比利時(shí)LMS國(guó)際公司北京代表處.LMS Test.Lab中文操作指南.

Based on modal analysis of a pickup hood Analysis method research

Cao Qin, Xia Pengfei, Wang Ke, Sun Weiqing
(Dongfeng Automobile Co., Ltd. Commercial Product R&D Institute, Hubei Wuhan 430057)

On the pickup hood modal analysis, requirement to avoid the resonance range, at the same time have a certain bending stiffness. To improve the optimization of the hood inner panel, the optimized hood for stiffness analysis of bending, the analysis results meet the design requirements. Modal testing the hood in the vehicle, test results and the results of the analysis error within 5%, to prove the correctness of the simulation model of the hood; While in the subsequent vehicle road test , the hood no vibration, cracking, depression and other issues, further illustrate the correctness of the hood analysis method.

pickup hood; modal analysis; modal testing; bending stiffness

U463

A

1671-7988(2015)05-01-04

操芹，就職于東風(fēng)汽車(chē)股份有限公司商品研發(fā)院CAE科。