基于扭轉(zhuǎn)模態(tài)的某白車身結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

趙廣，麻桂艷，湯湧

（華晨汽車工程研究院白車身工程室，遼寧 沈陽 110141）

前言

全景天窗具有透光面積大、視野開闊的優(yōu)點，已經(jīng)成為目前中高端汽車的亮點配置，受到眾多消費(fèi)者的青睞。但由于全景天窗比普通天窗尺寸更大，導(dǎo)致白車身頂蓋開口尺寸更大，無法布置橫梁等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，使得白車身剛度性能下降，扭轉(zhuǎn)模態(tài)下降。白車身扭轉(zhuǎn)模態(tài)不僅反映了汽車車身的整體剛度性能，而且是控制汽車 NVH特性的關(guān)鍵指標(biāo)。在本文某SUV白車身產(chǎn)品開發(fā)仿真分析過程中，白車身扭轉(zhuǎn)模態(tài)為39.3Hz，低于設(shè)定的目標(biāo)值40Hz，需要進(jìn)行優(yōu)化，針對以上問題，通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并采用CAE方法進(jìn)行分析驗證，在設(shè)計開發(fā)階段提高了產(chǎn)品的性能，從而避免了相關(guān)的設(shè)計缺陷，大大的減少了設(shè)計周期和成本。

1　白車身模態(tài)

車身作為一個多自由度的彈性系統(tǒng)，其固有振動頻率也就相應(yīng)表現(xiàn)為無限多的固有模態(tài)，其低階模態(tài)振型多為整體振型，如整體扭轉(zhuǎn)、彎曲振型，高階模態(tài)振型多為一些局部共振振型，如地板振型、車頂振型和側(cè)圍外板振型等。有時，由于車身的局部剛度低，也有一些局部振型在低頻范圍出現(xiàn)，或與整車振型同時出現(xiàn)。合理的車身模態(tài)分布對提高整車的可靠性和NVH性能等有著十分重要的意義[1]。模態(tài)分析的結(jié)果是各階模態(tài)頻率和振型，一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)是評價的重要指標(biāo)之一。

2　靈敏度

靈敏度是優(yōu)化設(shè)計中某個設(shè)計變量的變化對整個系統(tǒng)狀態(tài)的影響程度。當(dāng)有多個設(shè)計變量時，優(yōu)化前可根據(jù)靈敏度大小進(jìn)行篩選和排序，剔除靈敏度較小的變量[2]。

本文中的靈敏度S=△f/△m，△f為白車身扭轉(zhuǎn)模態(tài)變化量，△m為白車身質(zhì)量變化量；當(dāng)靈敏度較高時，結(jié)構(gòu)方案對性能的提升顯著，輕量化效果好。本文中定義靈敏度大于0.3時，結(jié)構(gòu)性能較優(yōu)，方案可以被采用。

3　模態(tài)優(yōu)化的途徑

模態(tài)優(yōu)化一般有兩種途徑，一種途徑是應(yīng)用密度小的材料，如鋁、塑料及超輕鋼等做車身材料，以降低關(guān)注模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量；另一種途徑是合理修改關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)形式與尺寸，以提高關(guān)注模態(tài)的模態(tài)剛度[3]。第一種途徑受到生產(chǎn)工藝和成本等的影響，低端車型應(yīng)用較少。第二種途徑關(guān)鍵是找出影響模態(tài)的靈敏度較高的結(jié)構(gòu)部位，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高局部的剛度，進(jìn)而提高整體的抗彎或抗扭剛度來改善該模態(tài)。本文采用第二種途徑進(jìn)行優(yōu)化，通過對模態(tài)振型的分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱位置進(jìn)行合理的優(yōu)化，并考察其靈敏度。通過對模態(tài)振型的分析可以明確優(yōu)化的方向，減少優(yōu)化的盲目性，提高優(yōu)化效率。

4　結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗證

本文優(yōu)化的是某SUV的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，此SUV配置了全景天窗，經(jīng)CAE仿真模擬分析，扭轉(zhuǎn)模態(tài)為39.3Hz，不符合項目需求的40Hz，經(jīng)過對模態(tài)振型的分析，發(fā)現(xiàn)天窗開口周邊應(yīng)力較高，如圖1所示。

圖1　扭轉(zhuǎn)模態(tài)應(yīng)力云圖

分析此處的結(jié)構(gòu)，此處由頂蓋外板和天窗骨架安裝內(nèi)板焊接，在開口拐角處沒有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致開口拐角和周邊連接剛度不足。根據(jù)上述分析，通過在天窗開口拐角處增加 4個厚度為 1mm的加強(qiáng)件，用于加強(qiáng)天窗骨架，同時通過減震膠連接加強(qiáng)件和頂蓋外板，增強(qiáng)連接剛度，如圖2所示。經(jīng)過優(yōu)化后天窗開口周邊應(yīng)力明顯變小，扭轉(zhuǎn)模態(tài)也相應(yīng)提高到39.57Hz。如圖3所示，靈敏度分析見表1。

圖2　結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

圖3　扭轉(zhuǎn)模態(tài)應(yīng)力云圖

表1　第一輪優(yōu)化的靈敏度

對優(yōu)化后的模態(tài)振型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)天窗開口后部兩側(cè)應(yīng)力仍然較高，通過增長后部加強(qiáng)件長度進(jìn)行第二輪優(yōu)化，如圖4所示，再次分析，扭轉(zhuǎn)模態(tài)也相應(yīng)提高到39.71Hz。如圖5所示，靈敏度分析見表2。

圖4　結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

圖5　扭轉(zhuǎn)模態(tài)應(yīng)力云圖

表2　第二輪優(yōu)化的靈敏度

再次對優(yōu)化后的模態(tài)振型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)天窗開口后部兩側(cè)應(yīng)力仍然較高，天窗骨架相對側(cè)圍上邊梁變形較大，分析此處的結(jié)構(gòu)，由于頂蓋和側(cè)圍連接方案限制，天窗骨架與側(cè)圍上邊梁連接為面連接，沒有截面結(jié)構(gòu)，連接剛度較弱。根據(jù)上述分析并考慮焊接級次和工藝可行性，選用增加螺接結(jié)構(gòu)的支架方案，用于連接天窗骨架與側(cè)圍上邊梁，增加連接剛度，如圖6所示，經(jīng)過分析，模態(tài)提升到40.14Hz，如圖7所示，靈敏度分析見表3。經(jīng)過三輪的優(yōu)化，扭轉(zhuǎn)剛度能夠滿足開發(fā)需求。

圖6　結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案

圖7　扭轉(zhuǎn)模態(tài)應(yīng)力云圖

表3　第三輪優(yōu)化的靈敏度

5　結(jié)論

本文通過對某款SUV車型扭轉(zhuǎn)模態(tài)的分析驗證，通過白車身結(jié)構(gòu)的分析和對天窗骨架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在設(shè)計階段提升了扭轉(zhuǎn)模態(tài)性能，達(dá)到了優(yōu)化的目的。未來的車型開發(fā)中，全景天窗會成為主流趨勢，車身的剛度性能會隨著天窗的增大而下降，此優(yōu)化方案和方法可以廣泛應(yīng)用于各全景天窗車型的扭轉(zhuǎn)模態(tài)優(yōu)化分析項目中，對采用全景天窗結(jié)構(gòu)的車身設(shè)計起到一定的設(shè)計指導(dǎo)的作用。

[1] 朱茂桃,智淑亞.汽車車身現(xiàn)代設(shè)計[M].北京:國防工業(yè)出版社,2017,136.

[2] 孫凌玉.車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計理論,方法與工程實例[M].國防工業(yè)出版社,2011,56

[3] 朱茂桃,智淑亞.汽車車身現(xiàn)代設(shè)計[M].北京:國防工業(yè)出版社,2017,134.