基于模態靈敏度分析的客車車身改進

Structural improvement of a light bus body-in-white based on modal sensitivity analysis

李萬利，陸森林

（江蘇大學 汽車與交通工程學院，鎮江 212013）

LI Wan-li,　LU Sen-lin

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基于模態靈敏度分析的客車車身改進

Structural improvement of a light bus body-in-white based on modal sensitivity analysis

李萬利，陸森林

（江蘇大學 汽車與交通工程學院，鎮江 212013）

LI Wan-li,LU Sen-lin

摘要：為提高某輕型客車NVH性能，針對其低階模態固有頻率過低的問題，運用模態靈敏度分析方法，獲知了前三階柔性模態固有頻率與車身質量分別對板厚的靈敏度，通過對關鍵零部件形貌優化和厚度調整，對白車身結構進行了改進。仿真分析表明，客車白車身的前三階柔性模態固有頻率有了明顯的提高，而白車身增加的質量甚少。

關鍵詞：汽車NVH；白車身；模態分析；靈敏度分析；結構改進

0　引言

NVH性能（噪聲、振動、舒適性）是整車設計過程中需要考慮的重要特性。白車身作為整車的主要組成部分，其結構模態參數反映了整車動態特性，作為外界激勵的直接作用對象，在外界激振頻率與車身固有頻率相近的情況下，會導致車身共振，影響整車舒適性[1,2]。胡小舟等[3]通過模態應變能和靈敏度分析，并對關鍵零部件的厚度進行了調整，提高了白車身第階模態固有頻率。謝煌生等[4]通過對轎車車身進行結構性能靈敏度分析，確定了對低級模態固有頻率影響較大的零部件，通過對其結構的進，車身低階模態頻率得到明顯地提高。胡巧聲等[5]通過加強白車身，提高其主要階次模態頻率，結構加強后的車身振動與噪聲有效降低，轎車NVH性能得到提高。

為提高某輕型客車NVH性能，本文建立了客車白車身有限元模型，分析了白車身在0～50Hz范圍內的振動模態；通過對客車白車身進行模態靈敏度分析，獲知了前階柔性模態固有頻率與車身質量分別對板厚的靈敏度，對關鍵零部件形貌優化和厚度調整，在盡量不增加車身質量的情況下，提高了前級模態固有頻率。對比結構進前后的仿真結果，表明該進方案有效、可行。

1　理論基礎

設wi和ui分別為車身結構第i階模態的固有頻率與振型向量，它們應滿足：

式中：K為結構模型總剛度矩陣；M為結構模型總質量矩陣，其維數即為結構模型自由度數。

對式(1)中某設計變量x求偏導數，可求得：

用uTi左乘式(2)，且有：

即可獲得第i階模態固有頻率對設計變量x的靈敏度：

2　客車白車身模型建立和模態分析

2.1結構有限元模型的建立

借助Catia創建某輕型客車的白車身模型。建立的車身模型應能反映工程結構的主要力學性能和車身結構的實際形狀，以及零部件間的連接關系[6]。同時為了降低網格劃分的難度與減少仿真分析的時間，在Hyper Mesh中應先對車身結構模型進行些必要的簡化：刪除些對車身整體結構影響細微的特征，如圓孔、圓角、倒角等，忽略些非承載件與裝飾件，如方向盤、儀表盤、制動踏板等[7]。采用尺寸為40mm的Shell63單元，各零部件的有限元網格在Hyper Mesh中通過rigid單元連接，生成客車白車身結構有限元模型如圖1所示，單元數量為37177，節點個數為36286，其中角形網格有659個，占1.8%。

圖1　白車身有限元模型

2.2車身的結構模態分析

在LMS Virtual. lab中運用Block Lanzos法對客車白車身有限元模型進行自由振動模態分析，其中前六階為剛性模態，其柔性模態才能反映車身結構相對運動形式，前階柔性模態分析結果表1所示，相對應的模態振型如圖2～圖4所示。

表1　白車身仿真模態頻率和振型

圖2　白車身第一階模態振型

圖3　白車身第二階模態振型

圖4　白車身第三階模態振型

3　客車白車身靈敏度分析

由靈敏度分析理論可知，當部件對于某階模態頻率的靈敏度值為正且絕對值較大時，增加該部件的料厚對提高該階模態頻率有顯著的效果；反之，當靈敏度值為負且絕對值較大，減少該部件的料厚可有效提高該階模態頻率。由圖5可知，對于白車身前階模態頻率，不同位置上的部件對不同階次模態頻率的影響是不樣的。對前階模態固有頻率靈敏度值為正且絕對值較大的零部件有：2、7、13、14、16、24、28、30。其中對模態固有頻率影響最大的零部件是7和24。當增加部件7的料厚時，可使第階模態固有頻率得到明顯的提高；當增加部件24的料厚時，可使前階模態固有頻率均有提高，其中第階模態頻率提高的最為顯著。對前階模態固有頻率靈敏度值為負且絕對值較大的零部件有：4、6、22、27。其中對模態固有頻率影響最大的零部件是4和27。當減少部件4的料厚時，可使第二階與第階固有頻率大幅度提高，而第階固有頻率基本不變；當減少部件27的料厚時，可使第階固有頻率大幅度提高，第二階與第階固有頻率基本不變。

圖5　前三階固有頻率對板厚的靈敏度

圖6　質量對板厚的靈敏度

綜合考慮客車白車身靈敏度分析結果，對零部件2、13、16、24、28、30采取增加料厚措施，對零部件4、6、22、27采取減少料厚的措施，對零部件7和14通過形貌優化。

4　白車身結構改進與仿真驗證

4.1車身頂棚結構優化

零部件7和14分別對應的是車身頂棚和后地板，為在盡量不增加車身質量的情況下，提高車身低階模態固有頻率，本文對頂棚和后地板采取形貌優化的措施。下面以車身頂棚為例敘述其優化過程。

本文對頂棚形貌優化的主要目的是增強其剛度，即在頂棚上找到布置加強筋的最優位置及數量。優化過程中把原有加強筋去掉后的頂棚模型作為優化模型，目標函數為車身頂棚第階柔性模態固有頻率，約束條件為約束頂棚邊緣的全部自由度。

車身頂棚有限模型在OptiStruct優化模塊中經過11次迭代分析，第階柔性模態固有頻率從21.37Hz提升到26.41Hz，車身頂棚地最終形貌云圖如圖7所示。

根據最終優化變形云圖，再考慮工藝性與經濟性等條件，頂棚布置加強筋的最終結構如圖8所示。

圖8　頂棚采用的最終結構

4.2關鍵零部件厚度調整

表2　車身板件厚度調整

4.3仿真驗證

圖9　優化后白車身一階模態振型

【】【】

圖10　優化后白車身二階模態振型

圖11　優化后白車身三階模態振型

從表3可知，改進后客車白車身的低階柔性模態固有頻率均有所提高，前三階固有頻率分別提高了50.9%，26.1%和21.3%，其中一階固有頻率提高為12.83Hz，有效地避開了人體最敏感頻率范圍4Hz～12.5Hz，改進效果明顯。

表3　優化前后白車身模態頻率對比

5　結束語

以某客車白車身為研究對象，針對其低階模態固有頻率過低的問題，運用模態靈敏度分析方法，獲知了前三階柔性模態固有頻率與車身質量分別對板厚的靈敏度，對關鍵零部件形貌優化與厚度調整，提高了前三階柔性模態固有頻率，而車身質量沒有明顯增加。

參考文獻：

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[4] 謝煌生,王悅新.轎車車身結構動特性改進方法[J].公路交通科技,2014,31(4):148-152.

[5] Hu Q S,Ni F,Zuo S G,et al. Investigation on technology of automobile vibration and noise reduction based on body-in white structure[J].Key Engineering Materials,2011,474-476:676-678.

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[11] 陳昌明,肖強.白車身模態靈敏度分析及結構優化[J].山東交通學院學報,2009,17(2):1-5.

設計與應用

作者簡介：李萬利（1987 -），男，湖南人，碩士研究生，研究方向為車輛振動與噪聲。

基金項目：江蘇省自然科學基金項目（BK2009212）

收稿日期：2015-12-16

中圖分類號：U463.82+2

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)03-0064-03