汽車頂蓋剛度性能改善

羅克體，溫在慧

（東風柳州汽車有限公司，廣西柳州545005）

汽車頂蓋剛度性能改善

羅克體，溫在慧

（東風柳州汽車有限公司，廣西柳州545005）

某車型開發過程中，頂蓋出現剛度不足問題。通過對該問題進行研究，并結合相關理論，對現有的頂蓋進行設計優化。為避免優化后的頂蓋和車室空腔聲學共振，再利用有限元軟件進行頂蓋模態和剛度分析，保證優化后的頂蓋模態和聲腔模態不發生耦合運動。

頂蓋；剛度；模態；聲腔

汽車頂蓋是車身上最大的塊板殼覆蓋件，若剛度不足，汽車在高速行駛時，會產生振動和噪聲，影響汽車的NVH性能。本文通過對某車型頂蓋剛度不足問題進行分析及解決，最終通過實車驗證，為今后頂蓋總成設計提供參考。

1 問題描述及初步分析

1.1問題描述

如圖1所示，對某車型頂蓋抗凹性CAE仿真分析模擬，從結果中發現頂蓋后部區域有兩個測量點變形量較大，具體變形值見表1.

圖1 頂蓋剛度不足點位置

表1 剛度不足點變形值

在CAE分析中，一般用50 N加載變形小于1.8 mm作為風險評價?？梢钥吹絻蓚€點的變形值均大于1.8 mm.說明這個區域可能存在剛度不足問題，需要對該區域進行設計優化。

1.2 原因分析

通常，頂蓋剛度不足的原因有兩種：第一種是頂蓋是薄壁件，且支撐跨度大；第二種是受造型影響，頂蓋設計使用較大平滑弧面，特征較少。

如圖2所示，該車型頂蓋后部無筋條，設計使用較大平滑弧面，同時兩橫梁支撐距離達到424 mm.綜上所述，頂蓋后部無特征和支撐跨度大，是造成頂蓋剛度不足的根本原因。

圖2 頂蓋結構模型

2 解決方案

根據剛度公式K（1，1）=3.144Eh3/12（1-u2）L2（其中L為板的長度，h為板的厚度），板的剛度與長度的平方成反比，與厚度的三次方成正比，與材料的楊氏模量成正比，要提高板的剛度，必須減小板的長度并增加厚度，或者使用楊氏模量高的材料，顯然，由于設計限制，頂蓋的長度不可能減小，也不可能增厚，材料很難更換[1]，因此，提高頂蓋剛度主要方案有：方案一，頂蓋增加筋條；方案二，頂蓋增加縱梁；方案三，增大頂蓋后部環氧補強板粘貼面積。

其中方案二和方案三均增加整車成本，故優先考慮頂蓋增加筋條方案。具體加筋模型如圖3所示。

圖3 頂蓋加筋結構模型

3 CAE驗證分析

3.1 CAE模型建立的原則[2]

有限元計算模型的準確度直接關系到計算結果的正確性和精確度，而有限元模型的規模又關系到計算的經濟性，這兩方面對于轎車車身結構分析都是非常關鍵的。

車身有限元模型的建立應滿足以下要求：計算模型必須具有足夠的準確性，要能反映工程結構的主要力學特性、車身結構的實際狀況，既要考慮形狀與構成的一致性，又要考慮支撐情況和邊界約束條件的一致性。

計算模型要具有良好的經濟性。復雜的計算模型一般具有較高的準確性，但復雜的計算模型的建立相應地會花費更多的時間、人力、物力進行數據處理，從而使計算費用大大增加。

建立模型過程中，通常都要對結構進行簡化，這一簡化要以符合結構主要的力學特性為前提?，F代轎車多采用全承載式車身，車體骨架結構由車體結構件以及覆蓋件焊接而成。主要承載零部件及總成包括前縱梁、后縱梁、門檻、頂蓋、地板、A柱、B柱、C柱、后風窗支柱、前輪罩、后輪罩、前塔型支承、后塔型支承、后翼子板、后圍板、行李架等。目的在于分析整個車身殼體的剛度和薄弱環節等力學特性，過于細致地描述一些非關鍵結構的細節，不但增加建模的難度和單元的數目，還會使有限元模型的單元尺寸變化過于劇烈而影響計算精度。車身結構中有的小尺寸結構，如小孔、開口、翻邊、小筋和小凸臺，設計它們的目的通常是為了局部過渡或者工藝上避讓一些管線，而對整體剛度和強度影響不大，因此，在建模過程中做簡化處理。而為了安裝零部件方便而設置的尺寸較大的孔基本都有翻邊，對整體剛度和局部強度影響較大，不能忽略。

3.2 CAE分析思路

頂蓋為薄板結構，其模態容易和車室聲腔模態形成共振，故頂蓋除滿足剛度要求外，其本室模態還需避開車室聲腔模態。因此本次分析需先完成車室聲腔模態，保證優化后的頂蓋模態避開聲腔模態。具體分析流程如圖4所示。

圖4 頂蓋具體分析流程

3.3 聲腔模態分析

車室空腔系統的聲學特性表現為與固有頻率和振型（聲壓分布）相聯系的聲學振動模態。強迫振動車室空腔的共振會明顯增大噪聲響應。掌握車內空腔的聲學模態頻率和模態振型，可以在設計過程中避免車室結構振動導致的車內共鳴噪聲，合理布置和優化車內聲學特性，盡量使人耳處于關鍵聲學模態的節線位置，從而可獲得較好的舒適性。因此，在車室NVH設計階段，對車室聲腔進行模態分析不僅可以避開車室壁板與車內空腔聲學共振的可能性，還可以掌握空腔聲場的聲壓分布情況，為預測并分析動態聲學響應準備必要的條件。

3.3.1 車室聲腔有限元模型的建立

首先在Hypermesh軟件中導人某轎車車身結構有限元模型，提取車室內部與空氣接觸的表面，構成一個密閉的聲學空腔，在不影響計算精度的前提下對其進行一些簡化[3-4]：車身上用于裝配其它部件的螺釘、螺母以及零件中面與面之間較小的倒圓角，還有一些對力學結構影響較小的沖壓筋、孔和工藝結構等都需要進行簡化處理。聲學單元的理想尺寸是每個波長至少六個單元，根據空氣中的聲速和噪聲的分析頻率可以計算出聲波的波長以及聲學單元的理想長度。本文采用四面體單元建立聲學模型，單元的長度約為45 mm.根據上述模型簡化原則，在Hypermesh中建立如圖5所示的三維車室空腔聲學有限元模型，共有33 956個節點，155 865個單元。然后以DAT的格式導人到SYSNOISE中進行聲學模態分析。

圖5 車室聲腔有限元模型

3.3.2 車室聲腔模態計算

對車室空腔聲學模型進行模態分析，可以得到它的模態頻率和模態振型（即聲壓的分布情況）。根據以往的經驗，空腔越長頻率越低，一般第一階頻率不為零的聲學模態出現在40 Hz~80 Hz左右，表現為聲壓沿車室縱向分布的縱向聲學模態。

經過計算得到聲學模態前10階聲學頻率和第1和第2階非零模態振型，如表2、圖6和圖7所示。其中第一階模態的頻率為0，表示車室內各點聲壓變化的幅值相同，相當于結構模態中的剛體模態。

表2 車內聲腔模態頻率

圖6 車室聲腔第1階非零模態

圖7 車室聲腔第2階非零模態

由圖6可知，車室聲腔第1階非零模態為49.5 Hz，前排處于節線位置，后排座椅頭枕處聲壓較大，后續頂蓋設計需避開該模態。

3.4 加筋頂蓋模態分析

模態分析可定義為對結構動態特性的解析分析和試驗分析，其結構動態持性用模態參數來表征。在數學上，模態參數是力學系統運動微分方程的特征值和特征矢量，而在試驗方面則是試驗測得的系統之極點（固有頻率和阻尼）和振型（模態向量）。構件的模態就是指構件本身的固有特性，可以利用模態分析得出構件的相應特性，然后對其設計加以改進以達到使用要求。

3.4.1 建立加筋頂蓋有限元模型

由于整個頂蓋結構是一個板殼覆蓋件，因此對模型進行了以下處理：

（1）頂蓋所有零件都用板殼單元進行離散，所有零件盡量采用四邊形板殼單元，三角形單元只占單元總數的7.5%.

（2）焊接位置采用rigid剛性單元模擬。

在頂蓋總成數模的基礎上，建立了頂蓋的有限元模型，最終模型單元總數為196 530個。

3.4.2 材料與屬性

計算中所使用的材料參數如下：

彈性模量：210 GPa；材料密度：7.85e+3 kg/m3；泊松比：0.3.

3.4.3 邊界條件

根據頂蓋與車體的連接關系，對其邊界進行簡化處理，頂蓋周邊進行全約束，計算分析60 Hz內頂蓋模態。具體如圖8所示。

圖8 頂蓋邊界條件有限元模型

3.4.4 模態計算結果

由于對頂蓋的振動響應影響相對較大的激勵頻率多集中在低頻域，為此分析了該蓋頂的前4階頻率和第一階模態振型圖，具體如表3和圖9所示。

表3 頂蓋結構模態和車室空腔模態對比

圖9 頂蓋第一階模態振型圖

由表3可知，優化后的頂蓋均避開車身聲腔模態（49.5），說明加筋方案前提條件可行。

3.5 頂蓋剛度分析

3.5.1 邊界條件

頂蓋的抗凹剛度性能分析要考慮幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等。在分析中，選取6個薄弱點作為加載點，在加載點建立直徑為20 mm的剛性球垂直擠壓外板表面。在取點處法向分步加載50 N、150 N和400 N載荷，載荷方向沿考察點曲面的法向，頂蓋周邊進行全約束，具體如圖10所示。

圖10 頂蓋剛度邊界條件

3.5.2 計算結果

通過有限元仿真分析，其測量點抗凹分析曲線如圖11所示。

圖11 測量點抗凹分析曲線圖

3.5.3 方案結果對比

如表4所示，頂蓋加筋方案實施后，其CAE模擬得到的變形值明顯下降，P3測量點變形值由2.08 mm降到0.86 mm，P4測量點變形值有2.55 mm降到1.13 mm，測量點變形值均滿足小于1.8 mm要求。

表4 P3和P4測量點優化前后變形值對比

4 結論

本文利用Hypermesh分析軟件對車室聲腔有限元模型進行模態分析計算，獲得了聲腔的固有頻率和模態振型，為避免優化后的頂蓋結構與車室空腔聲學共振提供了非常有價值的資料，同時達到了縮短設計周期、降低成本、提高產品設計可靠性的目的。因此，這種分析改進方法可以推廣應用到其他新車型開發項目中，具有實用價值和指導意義。

[1]龐劍.汽車噪音與振動——理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[2]屈求真.轎車車身結構的有限元分析與評價[J].汽車工程，1996，18（3）：148-151.

[3]鮑春燕，雷剛．LF520車室聲腔模態分析[J]．重慶工學院學報，自然科學版，2008，22（10）：14—16．

[4]劉成武，黃鼎鍵，鐘勇.基于NVH的車內聲腔模態分析[J].福建工程學院學報，2009（9）：56-59.

Car Roof Stiffness Performance Improvement

LUO Ke-ti，WEN Zai-hui
（Dongfeng Liuzhou Mobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

A model in the development process，the roof stiffness shortage problem，through the study of the problem，and combining with related theory，the existing roof design optimization.In order to avoid the optimized roof and car room acoustic resonance cavity，and reuse the top rigidity and modal analysis based on the finite element software，guarantee the optimized roof modal harmonic modes coupling movement does not occur.

roof；stiffness；modal；spoke

U463.83

A

1672-545X（2017）06-0026-04

2017-03-14

羅克體（1987-），男，廣西人，學士，助理工程師，目前從事汽車白車身開發工作；溫在慧（1991-），男，浙江人，學士，助理工程師，目前從事汽車白車身開發工作。