非承載式SUV白車(chē)身結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

韓紅陽(yáng)+陳有松+徐穎+王樹(shù)英

摘要： 以某全新開(kāi)發(fā)的SUV非承載式車(chē)身為研究對(duì)象，建立V91車(chē)身有限元模型，并進(jìn)行模態(tài)分析.為使車(chē)身1階模態(tài)滿足目標(biāo)值要求，對(duì)車(chē)身進(jìn)行靈敏度分析和截面剛度分析，并提出改進(jìn)方案.經(jīng)過(guò)優(yōu)化，車(chē)身的1階彎曲模態(tài)提升7.8%，1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)提升25.7%.研究結(jié)果可為企業(yè)研發(fā)非承載式SUV車(chē)身提供參考.

關(guān)鍵詞： 白車(chē)身； 彎曲剛度； 扭轉(zhuǎn)剛度； 斷面剛度； 靈敏度分析； 模態(tài)頻率

中圖分類(lèi)號(hào)： U463.82文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： Taking a new design of the body of bodyonframe type of SUV for the research example， the finite element model is built for V91 body and the modal analysis is performed on it. To make the first order mode meet the requirement of target value， the sensitivity and cross section stiffness is analyzed and an improvement scheme is proposed. By optimization， the first order bending mode of vehicle body is increased by 7.8% and the first order torsion mode is increased by 25.7%. The research results can provide reference for enterprise to develop body of bodyonframe type of SUV.

Key words： bodyinwhite； bending stiffness； torsion stiffness； cross section stiffness； sensitivity analysis； modal frequency

0引言

越野車(chē)或大型SUV一般采用非承載式車(chē)身和承載式車(chē)架，車(chē)身與車(chē)架通過(guò)懸置軟墊連接.雖然車(chē)架是主要承載部件，但白車(chē)身也承擔(dān)很大一部分載荷，其作用不能忽略.[1]白車(chē)身模態(tài)參數(shù)表征車(chē)身的固有頻率和振動(dòng)特性，會(huì)影響乘坐舒適性，還會(huì)對(duì)車(chē)身壽命、剛度、強(qiáng)度、可靠性造成影響.[2]白車(chē)身模態(tài)是汽車(chē)NVH傳遞函數(shù)、動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)的基礎(chǔ)，其重要性不容忽視.為避開(kāi)外部激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)，需在整車(chē)開(kāi)發(fā)前期分析和優(yōu)化白車(chē)身固有頻率，保證白車(chē)身模態(tài)性能滿足整車(chē)技術(shù)規(guī)范要求.[34]本文以全新開(kāi)發(fā)的某非承載式SUV車(chē)身V91為研究對(duì)象，首先對(duì)競(jìng)品車(chē)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)和有限元仿真對(duì)標(biāo)，以保證有限元建模方法的準(zhǔn)確性；在此基礎(chǔ)上，建立V91車(chē)身的有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)分析.為使整體模態(tài)滿足目標(biāo)值要求，對(duì)V91白車(chē)身進(jìn)行靈敏度和截面剛度分析，并提出優(yōu)化方案.經(jīng)過(guò)改進(jìn)，白車(chē)身模態(tài)性能滿足目標(biāo)值要求.

1競(jìng)品車(chē)的仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

1.1競(jìng)品車(chē)車(chē)身仿真模型的建立及模態(tài)分析

使用HyperMesh前處理軟件對(duì)競(jìng)品車(chē)白車(chē)身進(jìn)行網(wǎng)格劃分.車(chē)身件大多數(shù)是鈑金件，一般采用殼單元模擬.本文采用四邊形單元和三角形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格的平均尺寸為8 mm.為保證仿真模型和計(jì)算結(jié)果精度，對(duì)單元質(zhì)量進(jìn)行控制，單元質(zhì)量參數(shù)見(jiàn)表1.膨脹膠和結(jié)構(gòu)膠使用Solid單元模擬，點(diǎn)焊使用Solid和RBE3單元模擬.

使用MSC Nastran求解器計(jì)算競(jìng)品車(chē)白車(chē)身的自由模態(tài)，由于前6階為剛體模態(tài)，所以計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮[5].經(jīng)仿真計(jì)算：競(jìng)品車(chē)白車(chē)身的1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為25.9 Hz，1階彎曲模態(tài)為28.5 Hz.扭轉(zhuǎn)和彎曲模態(tài)仿真結(jié)果分別見(jiàn)圖1和2.

1.2模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

為更全面地表征白車(chē)身的振型變化，除3個(gè)激振點(diǎn)外共布置168個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)這些測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行x，y和z這3個(gè)方向的振動(dòng)加速度信號(hào)采集.采用多點(diǎn)激振多點(diǎn)拾振法，同時(shí)在白車(chē)身x，y和z這3個(gè)方向進(jìn)行激振和拾振.為減小附加質(zhì)量的影響、提高測(cè)試精度，使用質(zhì)量和體積較小的PCB加速度傳感器.白車(chē)身采用懸吊安裝方式，使用橡皮繩在前車(chē)頸處和后部將車(chē)身懸吊，懸吊頻率為1.5 Hz.白車(chē)身懸吊方式見(jiàn)圖3.試驗(yàn)主要研究100 Hz以下的低頻模態(tài)，采用猝發(fā)隨機(jī)信號(hào)激振白車(chē)身，其信號(hào)采集時(shí)的采樣頻率為512 Hz，信號(hào)平均次數(shù)為20次，采樣時(shí)間為160 s.

通過(guò)對(duì)3個(gè)激振點(diǎn)的自功率譜分析可知，3處激振點(diǎn)的自功率譜都很均勻，表明其在100 Hz內(nèi)可以將能量均勻分布，符合要求.3處激振點(diǎn)的自功率譜密度函數(shù)見(jiàn)圖4.

各測(cè)點(diǎn)的傳遞函數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行，每采好一批信號(hào)，立即觀察其相干性，確保信號(hào)的相干因數(shù)在0.85以上.[6]所采集信號(hào)的相干因數(shù)見(jiàn)圖5，試驗(yàn)的信號(hào)相干因數(shù)大于0.90，符合要求.所有測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)測(cè)試完成后，最后再完成白車(chē)身的模態(tài)定階和擬合工作，獲得其模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼等模態(tài)參數(shù).

經(jīng)試驗(yàn)，測(cè)得競(jìng)品車(chē)白車(chē)身1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為25.9 Hz，1階彎曲模態(tài)為28.5 Hz.將試驗(yàn)測(cè)得值與仿真模態(tài)值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2.1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)誤差為1.2%，1階彎曲模型誤差為2.5%.試驗(yàn)與仿真的誤差在5%之內(nèi)且振型一致，符合工程精度要求.因此，有限元模型建模及分析方法有效，可以用有限元模態(tài)仿真來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模態(tài)試驗(yàn).

2V91白車(chē)身模態(tài)分析

新車(chē)開(kāi)發(fā)前期因無(wú)實(shí)車(chē)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，只能通過(guò)仿真對(duì)白車(chē)身模態(tài)進(jìn)行評(píng)估.按照競(jìng)品車(chē)同樣的建模方法和標(biāo)準(zhǔn)，建立V91白車(chē)身有限元模型，計(jì)算V91白車(chē)身的自由模態(tài)：1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為21.8 Hz，1階彎曲模態(tài)為26.8 Hz，其振型見(jiàn)圖6和7.V91原始方案與競(jìng)品車(chē)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3.與競(jìng)品車(chē)相比，V91的1階扭轉(zhuǎn)和1階彎曲分別比競(jìng)品車(chē)差16.7%和8.3%.分析差異原因，競(jìng)品車(chē)是無(wú)天窗車(chē)型，座位數(shù)為5座；V91是全景天窗車(chē)型，座位數(shù)是7座，整車(chē)尺寸更大，質(zhì)量更大.研究表明，帶天窗車(chē)身比無(wú)天窗車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度低10%～20%.因此，模態(tài)值有一定程度的降低.由此可知，仿真結(jié)果可信，具有一定的參考價(jià)值.

3.1靈敏度分析

為提升白車(chē)身的1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，項(xiàng)目前期通過(guò)靈敏度分析識(shí)別對(duì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)影響較大的零件.本文選取C柱以后的零件（排除對(duì)碰撞安全和NVH有較大影響的頂蓋、座椅橫梁等零件）料厚作為設(shè)計(jì)變量，以白車(chē)身1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為約束函數(shù)，優(yōu)化目標(biāo)為白車(chē)身質(zhì)量輕.零件編號(hào)及其靈敏度排序見(jiàn)圖8.

3.2斷面剛度分析和優(yōu)化

靈敏度高的零件1，2和10對(duì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)較敏感，但盲目提高厚度不符合項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性要求.[78]靈敏度高的零件自身剛度及周邊結(jié)構(gòu)搭接的形式對(duì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)也非常敏感.白車(chē)身斷面包括開(kāi)口和閉口2種形式，斷面形狀和尺寸對(duì)其斷面特性影響很大.[910]綜合靈敏度分析及斷面剛度因素，本文對(duì)D柱關(guān)鍵斷面進(jìn)行優(yōu)化.經(jīng)對(duì)比，優(yōu)化后的斷面截面積增大26.6%，最大慣性矩提升32.7%，扭轉(zhuǎn)常數(shù)提升1.5%.斷面參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表4.D柱截面位置及優(yōu)化前后斷面對(duì)比分別見(jiàn)圖9和10.

4改進(jìn)方案模態(tài)驗(yàn)證

在對(duì)車(chē)身D柱和其他接頭處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，重新對(duì)白車(chē)身自由模態(tài)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5.優(yōu)化后的白車(chē)身的1階彎曲模態(tài)為28.9 Hz，比原方案提升7.8%，1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為27.4 Hz，比原方案提升25.7%，整體模態(tài)值達(dá)到目標(biāo)值要求.圖 9D柱截面位置示意

5結(jié)論

（1）建立競(jìng)品車(chē)仿真模型，對(duì)競(jìng)品車(chē)進(jìn)行自由模態(tài)試驗(yàn)，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證建模方法的有效性.在此基礎(chǔ)上建立V91 SUV白車(chē)身模型，并計(jì)算1階彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài).

（2）為使車(chē)身1階模態(tài)滿足目標(biāo)值要求，對(duì)車(chē)身進(jìn)行靈敏度優(yōu)化及截面剛度分析，在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方案并進(jìn)行驗(yàn)證.經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，白車(chē)身1階彎曲模態(tài)提升7.8%，1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)提升25.7%.

（3）優(yōu)化后白車(chē)身整體1階模態(tài)雖然可避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率，但根據(jù)整車(chē)VTS要求，為避免1階彎曲模態(tài)與1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)耦合，應(yīng)保證兩者頻率值至少錯(cuò)開(kāi)3 Hz.后續(xù)將繼續(xù)對(duì)這2階整體模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，以改善整車(chē)的NVH性能，提升乘坐舒適性.參考文獻(xiàn)：

[1]黃天澤， 黃金陵. 汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M] . 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2011： 107122.

[2]李允. 汽車(chē)白車(chē)身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2011： 5558.

[3]王書(shū)亭， 王挺， 賴福昆. 白車(chē)身的有限元模態(tài)及其靈敏度分析[J]. 輕型汽車(chē)技術(shù)， 2006（5）： 47.

WANG S T， WANG T， LAI F K. Finite element modal analysis of BIW and its sensitivity analysis[J]. Light Vehicles， 2006（5）： 47.

[4]陳昌明， 肖強(qiáng). 白車(chē)身模態(tài)靈敏度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)， 2009， 17（2）： 15.

CHEN C M， XIAO Q. Modal sensitivity analysis and structure optimization of bodyinwhite[J]. Journal of Shandong Jiaotong University， 2009， 17（2）： 15.

[5]傅志方， 華宏星. 模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M]. 上海： 上海交通大學(xué)出版社， 2000： 5462.

[6]陳樹(shù)人， 韓紅陽(yáng)， 陳剛， 等. 噴桿噴霧機(jī)機(jī)架動(dòng)態(tài)特性分析與減振設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2013， 44（4）： 5053.

CHEN S R， HAN H Y， CHEN G， et al. Dynamic characteristic analysis and vibration reduction design for sprayer frame[J]. Transactions of Chinese Society for Agricultural Machinery， 2013， 44（4）： 5053.

[7]錢(qián)平， 包鍵， 李建新. 白車(chē)身模態(tài)靈敏度分析及減重優(yōu)化[J]. 汽車(chē)科技， 2016（1）： 2628. DOI： 10.3969/j.issn.10052550.2016.01.005.

QIAN P， BAO J， LI J X. Sensitivity analysis and weight optimization of BIW mode[J]. Automobile Science & Technology， 2016（1）： 2628. DOI： 10.3969/j.issn.10052550.2016.01.005.

[8]高云凱， 藍(lán)曉理， 陳鑫. 轎車(chē)車(chē)身模態(tài)修改靈敏度計(jì)算分析. 汽車(chē)工程， 2001， 23（5）： 352355.

GAO Y K， LAN X L， CHEN X. Sensitivity analysis of car body modal modification[J]. Automotive Engineering， 2001， 23（05）： 352355.

[9]康瀾， 張其林， 王忠全， 等. 任意復(fù)雜薄壁截面自由扭轉(zhuǎn)常數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2011， 42（5）： 14371441.

KANG L， ZHANG Q L， WANG Z Q， et al. Numerical method of free torsion constant for arbitrary complicated thinwalled cross section[J]. Journal of Central South University（Science and Technology）， 2011， 42（5）： 14371441.

[10]馬驪溟， 朱智民， 安占飛， 等. 轎車(chē)白車(chē)身模態(tài)分析[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2013， 32（21）： 214218.

MA L M， ZHU Z M， AN Z F， et al. Modal analysis of a car BIW[J]. Journal of Vibration and Shock， 2013， 32（21）： 214218.（編輯武曉英）