基于模態分析技術的某轎車車門動態特性評價

黃祖嚴

(中國汽車技術研究中心，廣東深圳 518109)

0 引言

轎車的車門是車身的一個獨立總成，在車身的設計當中，車門影響著整個車身的舒適性和結構特性。如何在車門的分析中判斷車門結構的合理性及車門靜態剛度衍生出的實際動態影響，是一項設計分析中不可或缺的工作程序。近年來工程研究人員針對汽車車門的動、靜態特性做了大量的研究，主要可歸結如下：

2011年肖成林等利用有限元軟件HyperWorks對某一轎車的車門進行了有限元分析，并且根據分析結果提出了提高車門剛度同時輕量化的設計方案[1]。陳陽等人利用實驗和理論相結合的方法對某一車門進行了模態分析，并且根據計算和實驗結果，對車門的結構提出了優化方案[2]。2012年趙耕耘等利用有限元分析軟件分析了某轎車前門在扭轉時以及下沉時的應力，找出了該車門設計的不合理之處[3]。2013年唐金花等建立了某車門結構優化的數學模型，利用MATLAB軟件對模型進行了求解。2014年趙健寧等對某一轎車車門自由狀態進行了模態分析[4]。2015年崔新濤等利用有限元方法對某轎車的應力及變形進行了分析[5]。2016年劉敏章等利用UG軟件對某轎車車門進行優化設計。喬維高等利用計算和實驗相結合的辦法研究了某轎車車門的側向碰撞安全[6]。

作者利用CATIA軟件在虛擬建模的環境下對車門的三維模型進行逆向創建，并且在CATIA環境中利用HyperMesh對模型進行前處理，利用HyperMesh導出處理好的模型并利用ANSYS軟件進行模態分析，并根據分析的結果對該車門的動態特性做出了一些評價。

1 建立車門模型

對該車門表面進行量測之后得到該車門的點云數據，之后將點云數據導入CATIA軟件 ，利用 CATIA軟件的逆向建模功能得到該車門的三維模型，然后再根據車門的實際尺寸對模型進行細節處理，得到的三維模型圖如圖1所示。

圖1 車門的三維模型

將建立好的CATIA模型導出。通常的CATIA格式后綴名是CAT，這時需要導出STP格式到HyperMesh里面。之后利用HyperMesh軟件對車門進行網格劃分。網格質量選擇最小長度3 mm、最長長度15 mm、翹曲度小于15°、雅克比0.7等標準，網格質量要求橫平豎直，三角率小于5%。網格劃分完成后如圖2所示。

圖2 車門網格劃分情況

2 車門的模態分析及評價

采用ANSYS軟件的Workbench窗口界面進行該車門結構的模態分析，在分析之前需要設置該車門材料的物理參數。材料參數取值如表1所示。

表1 車門材料參數

為分析車門關閉情況下的模態情況，模擬車門關閉情景，在車門安裝孔位置和車門鎖位置分別添加固定約束。一般對車門振動特性影響較大的為前4階模態，在此設置求解該車門的前4階模態。前4階模態的固有頻率和振型描述如表2所示，該車門的前4階模態振型云圖分別如圖3-6所示。

表2 車門前4階模態頻率與振型描述

圖3為1階模態振型，所對應的固有頻率為48.237 Hz，可以看出：此時車門上邊框位置變形量較大以及車門下邊框位置和車門內板中間位置變形量較大，整體看來為車門的1階彎曲振動。車門其他位置基本不產生變形量。

圖3 1階模態振型

圖4為2階振型圖，所對應的固有頻率為51.625 Hz。在2階模態中,變形量較大位置為車門邊框以及車門內板的中間位置，其他區域基本不變形，此時整體看作是車門的1階扭轉振動。

圖4 2階模態振型

圖5為車門的第3階模態振型，對應的固有頻率為62.102 Hz。此時車門邊框以及車門內板基本不變形，變形較大區域為車門外板下部區域。此階模態為外板的彎曲振動。

圖5 3階模態振型

圖6為該車門的第4階模態振型，此時對應的固有頻率為81.549 Hz。此時車門外板基本不動，整體表現為車門內板的彎扭組合振動。

圖6 4階模態振型

汽車振動主要來自于發動機激勵與路面不平度引起的激勵，大多為20 Hz以下垂直方向的振動。發動機怠速轉速下激勵為26.7 Hz，經濟常用轉速2 000 r/min時激勵為66.7 Hz。對比發現：車門的2階固有頻率為51.625 Hz，高于路面激勵頻率，不會發生共振。但是3階固有頻率和發動機常用轉速下的激勵頻率較為接近，容易發生共振現象，所以建議通過加強外板結構的剛度，改變第3階固有頻率，從而避免發生共振。

3 總結

利用計算模態分析技術對某轎車車門進行動態特性評價，主要工作可歸結如下：

(1)利用車門的點云數據和CATIA軟件的逆向建模功能建立了某轎車車門的三維模型。

(2)利用HyperMesh軟件對車門進行了網格劃分。

(3)利用ANSYS軟件分析了該車門前4階模態并且對車門的動態特性進行了評價。

該方法對轎車車門動態特性評價及設計具有一定的指導作用。

參考文獻:

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