某車型車身NVH和強度的分析和優化

覃鵬飛,謝貴山,劉麗佳,陳仁澤,李立

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著汽車市場的快速發展，顧客對汽車平順性、操縱穩定性及乘坐舒適性的關注度和需求也越來越高。車身扭轉剛度和模態是白車身性能重要評價指標,剛度和模態的高低決定了整車可靠耐久性能和NVH性能。在汽車研發過程中，NVH特性是汽車精品化設計十分注重的特性[1]。車身模態(單位Hz)為車身結構的固有振動特性，每一個模態有固定的振動頻率、阻尼比和模態振型。一階模態、一階扭轉在行駛中容易被外載荷(路面激勵、發動機怠速和工作轉速)激發，模態低時在車速達到一定值的時候明顯感覺到車身在抖動、處于不穩定狀態，所以車身模態要達到設計要求，以避免跟激勵形成共振發生振動和噪聲。目前汽車市場較多車型采用承載式車身,承載式車身需要有足夠的剛度來承受來自路面多種載荷的作用[2]。車身的強度須保證其耐久可靠性，車身還須應用合理的動態特性控制整車振動、噪聲，同時車身還需足夠的結構強度以在車輛碰撞時保護乘員的安全[3]。在國內外,車身模態和強度分析已經普遍應用在汽車產品研發過程中,而且仿真計算結果與實驗結果吻合較好[4]。

文中以某改款三廂轎車車身為研究對象，用有限元軟件進行車身強度、扭轉模態的虛擬分析，發現車身薄弱結構區域，根據拓撲優化得到兼顧輕量化和性能的結構方案，并對結構方案進行實物驗證，結果表明結構方案滿足整車耐久性和NVH要求。

1 某三廂轎車改款車型的車身結構開發

某車型為三廂乘用車的改款車型，改款前后排座椅是靠背不能翻轉折疊的形式,車身結構帶有提高扭轉剛度和模態的2根管梁支撐衣帽板。目前市場上很多車型都有2根管狀支撐梁支撐車身衣帽板和左、右側圍的車身結構，該結構能有效抑制整車扭轉工況下的車身變形，大大提高了白車身扭轉剛度和模態。但該結構有個功能缺點：管狀支撐梁的存在造成行李箱無法放置大件物品，無支撐梁的車型可翻轉放倒第二排座椅來擴大行李箱容積以滿足大件物品放置需求。該項目改款要求座椅功能提升為靠背翻轉可折疊形式,車身不能保留原有的管梁支撐結構，即滿足可翻轉放倒第二排座椅靠背擴大行李箱容積的功能，如圖1所示。該結構差異造成在設計初期白車身扭轉剛度和扭轉模態比原型車車身差很多，車身模態由原來53.9 Hz降低到45 Hz，降幅16.5%，車身結構不滿足整車可靠耐久性性能和NVH要求。

鑒于某些車型因為車身扭轉模態低、強度不合格導致整車耐久性試驗鈑金開裂和噪聲大的NVH經驗教訓，為了使該車型的車身結構滿足模態要求和車身耐久性要求，需要研究新結構，解決因管狀支撐梁的結構差異導致的性能問題。設計目標：滿足車身性能設計標準，耐久性能優異——車身扭轉模態大于48 Hz，結構應力小于材料屈服強度，車身結構滿足第二排座椅靠背翻轉擴大行李箱容積的功能要求。質量成本目標：改型車的車身質量不大于原型車質量，成本不大于原型車成本。制造要求：零件成型性好，容易焊接，總裝容易裝配。

圖1 改款車原設計狀態與原型車車身結構對比

有限單元法在車身結構設計開發中被廣泛應用于強度、剛度、模態分析，是可靠有效的數值計算方法[5]。有限單元法分析結果正確性的前提是建立合理可靠的限元模型[6]。文獻[6]中通過試驗和計算結果進行對比分析，驗證有限元模型的可靠性。文獻[6]中在“準確性”和“經濟性”原則下采用HyperMesh軟件建立分析模型，計算求解器軟件為Nastran，鈑金件網格單元類型為Shell，單元尺寸10 mm，焊點、膠粘、螺栓分別采用acm、adhesives實體單元和rbe2剛性單元模擬；材料參數如表1所示；無約束；無載荷。分析結果讀取扭轉模態值和應力值，如圖2所示。

表1 有限元分析參數表

圖2 有限元分析結果

因為改款車和原型車的主要差異是后側圍區域2根管狀支撐梁的差異，所以車身結構優化方向集中在后側圍輪罩、衣帽板區域的連接加強。分析加強的方案如下：

優化方案一：增加后地板支架(材料BLC，厚度1.2 mm)、連接板(材料BLC，厚度1.2 mm)；對應更改后輪罩前加強板、后加強板(更改后與增加的后地板支架、連接板形成腔體連接)，延長后輪罩減震器安裝板，如圖3、圖4所示(圖片僅顯示左側，左右對稱更改)。

圖3 改型車原始設計狀態

圖4 優化方案一

優點：制造可行性高；質量及成本滿足目標；

缺點：結構性能略低于目標要求；增加和更改零件數量多，更改周期長費用高；車身結構Y向占用行李箱空間。

優化方案二：在方案一的基礎上增加輪罩外加強板，材料BLC，厚度t=1.0 mm,如圖5所示(圖片僅顯示左側，左右對稱更改)。

圖5 優化方案二

優點：制造可行性高；結構性能滿足目標要求。

缺點：對比方案一增加了3.436 kg，質量及成本超出目標；增加和更改零件數量多，更改周期長費用高；車身結構Y向占用行李箱空間。

優化方案三：在衣帽板和側圍拐角搭接處增加一個L形輪罩內加強板，材料BLC,厚度t=1.2 mm；增加1個φ20 mm實心加強桿，材料20號鋼，如圖6所示(圖片僅顯示左側，左右對稱更改)。

圖6 優化方案三

優點：質量、成本滿足目標要求，制造可行性高。增加和更改零件數量少，更改周期短。

缺點：扭轉模態性能略低于目標要求；衣帽板和側圍搭接拐角處存在高應力，應力接近材料屈服應力，存在耐久路試開裂的風險(設計經驗：應力不大于80%的材料屈服應力)。

優化方案四：在衣帽板和側圍拐角后側搭接處增加一個加強板，材料B280VK,厚度t=1.5 mm，如圖7所示(圖片僅顯示左側，左右對稱更改)。

圖7 優化方案四

優點：扭轉模態性能和車身強度滿足要求；質量、成本滿足目標要求；增加和更改零件數量少，更改周期短。

缺點：需要增加車身結構膠連接，焊接設備需更改。

經過分析對比，如表2所示：方案一、二不能同時滿足目標要求，方案三基本滿足目標要求(性能目標接近，質量成本優于目標)，方案四滿足所有目標要求。方案三對比方案四有質量和成本優勢，為了能實現成本和質量最優，選擇方案三、四同時軟工裝樣件實車驗證。

表2 各優化方案虛擬分析結果對比

2 車身結構驗證

對結構方案三、四同時造車進行實物驗證。實車測試后懸擺臂左側安裝點Z向激勵到前排座椅的噪聲響應曲線，NTF響應值在110～160 Hz頻率段內降低5 dB，方案四比方案三改善程度更優；實測發動機后懸置Z向激勵到后排座椅置腳點的噪聲響應曲線，NTF響應值在140～170 Hz頻率段內降低5 dB，方案四比方案三改善程度更優。

對車身強度進行結構耐久性試驗，優化方案三在試驗進行到壞路20 020 km時車身開裂，開裂區域正是有限元分析的高應力區域，如圖8、圖9所示。

圖8 優化方案三的耐久路試試驗開裂圖片

優化方案四完成所有結構耐久試驗里程該區域無開裂故障，如圖10所示。經上述驗證對比，將方案四作為正式結構方案實施。

圖9 優化方案三路試驗證結果

圖10 優化方案四路試驗證結果

3 結論

在對某三廂車改款車型車身結構分析的基礎上，進行車身優化多方案對比，采用有限元仿真分析確認兼顧輕量化和車身性能的結構方案，經實車耐久性試驗和NVH試驗改善效果顯著，使車身結構滿足模態要求和車身耐久性要求，改善了NVH性能。結果表明：

(1)三廂車的衣帽板和側圍搭接區域使車身扭轉模態有顯著提高；

(2)優化后的該車身結構滿足整車可靠耐久性要求，滿足NVH性能要求；

(3)采用有限元仿真分析可快速地確定可靠的車身最優方案。

參考文獻:

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