白車身有限元模態分析方法研究

(長安大學汽車學院 陜西 西安 710064)

一、前言

汽車工業產業在國民經濟中起著支柱性作用，并且其飛速發展在很大程度上可以反映出一個國家的工業水平和實力。中國的汽車工業己經有了幾十年的發展歷程,并且形成了一個相對成熟和完善的工業體系,現階段我國轎車車身的設計很大一部分都是在滿足強度、剛度等相關設計要求的前提下借鑒國外的車型,進行局部修改,設計一款新的車型[1]。

如果要對汽車結構的共振進行避免,使噪音降低,確保汽車的可靠性和安全性,那么就需采用有限元模態分析方法計算的固有頻率和相應的振型。通過模態分析的方法可以得到一些能夠反映白車身結構振動基本性質的振動系統的模態參數，比如固有頻率和模態振型等[2]。這些參數也對汽車的操縱穩定性、乘坐舒適性、動力性、使用壽命等都有一定的影響，同時其也是分析汽車其他性能的一個很好的基礎,新產品開發主要項目就是對白車身進行結構分析,從而為振動系統動態設計以及故障診斷提供依據。車身動態特性分析的設計,目前還是以實車試驗為主、計算機仿真分析為補充[3]。

二、有限元模態分析的研究現狀

在國外，由于有限元分析軟件和計算機技術的條件比較領先，在八十年代就對發動機整體進行了比較全面的CAE分析[4]。但是由于CAE軟件發展不成熟，許多研究仍然限于局部的研究，使得模型建立的合理性難以保證。

國內的專家學者對白車身的模態研究也取得了不少進展，通過對白車身的模態分析找出了車身振動的原因，找到最容易超負荷的點或部位，從而在此基礎上提出了改進方案，較好的解決了振動和噪聲問題[5]。

三、本文研究的主要內容及方法

(一)研究內容

在本研究項目中,對某轎車白車身進行了相應的計算模態分析,并且在幾何模型的基礎上采用相關標準對其進行了一個有限元的劃分,其優點是有限元模型相對所做的簡工作化較少,這樣就能夠很好的反映白車身的一個實際結構,圖1為分析流程:

圖1 分析流程

(二)研究方法

本課題在振動分析理論的基礎上，對白車身進行了模態分析。利用ANSYS軟件對白車身進行有限元分析，得到前六階固有頻率以及對應的模態振型。分析仿真結果，為缸蓋的優化設計提供理論參考。

四、白車身有限元模態分析

(一)模型的建立

1.CATIA軟件畫圖構建模型

整車效果圖如圖2所示

圖2 整車效果圖

2.導入三維模型

在主程序中啟動Ansys Workbench，在界面中選擇modal雙擊啟動modal模塊。

關于生成模型ANSYS為用戶提供了下列方法:(1)用ANSYS創建一個實體模型，進行有限元劃分;(2)利用直接生成法，創建節點和單元;(3)輸入在CAD繪圖工具中創建的模型,對其進行單元劃分;(4)綜合利用上述三種方法建模。

結合實際工程，本文運用第三種方法，即先在CATIA畫好車身，再進行導入。

導入三維模型，單擊“Geometry”，選擇“Import Geometry”。

在CATIA建模后，將其保存為stp格式導入，如圖3所示為導入后的車身模型。

圖3 導入后的白車身模型

使用ANSYS做模態分析時主要分為六步：

第一步：需要定義材料及數據，包括材料類型密度等，我們缸蓋實體的材料是鋁合金，所以在ANSYS中選擇Aluminum alloy材料。單擊工具條中的Engineering Data Source按鈕，在面板中列出了一些程序自帶的材料庫，在需要的材料后打上對號。

第二步：右鍵點擊Geometry選擇browse，找到剛才保存的stp格式文件打開。

第三步：右鍵點擊Model選擇Edit進入，選擇Mesh創建網格劃分。

第四步：設置求解模態階數范圍。

第五步：求解右鍵點擊solution選擇Solve。

第六步：創建全部模態結果。

(二)調整三維模型屬性

選擇零件材料:文件導入后界面如圖4所示,這時,選擇“Geometry”下的“Part”,零件材料屬性的調整可以在左下角的“Details of‘Part’”中進行操作。

圖4 選擇零件材料

五、有限元模態分析結果

(一)模態分析計算

模態分析就是分析結構的固有振動特性，(包括每一階模態的固有頻率、阻尼比和振型)。通過分析固有頻率，得到N階頻率的數值以及頻率的分布情況，以避免結構發生共振；通過分析振型，直觀判斷出振幅較大的部位，可以為后面的故障診斷或者優化設計提供依據。

處理階段完成建模后，在求解模塊獲得分析結果。ANSYS提供的分析類型有結構分析、熱分析、電磁分析、流體分析和禍合場分析等[7]。在模態分析計算之前，需要對模態最大階數進行設置。本課題研究白車身前六階模態較為合理。然后進行Solution求解，具體操作，選擇“Analysis Settings”，此時在在左下角的“Details of ‘Analysis Settings’”，在“Max Modes to find”處輸入相應的值(一般為5或10，如果想要看更多的可以選擇相應的數字)，這步可以省略，有默認的階數，如圖5所示：

圖5 分析設置

具體操作，如圖6所示，選擇“Solution”，點擊右鍵，選擇“solve”。

圖6 進行求解

(二)模態分析求解結果

Results Summary，瀏覽對話框中的信息，如圖7所示:

圖7 求解結果

白車身的固有頻率與振型如表5.1所示：

表1 白車身的固有頻率和振型

下面展示具體的振型，如圖8所示：

(a)一階模態振型 (b)二階模態振型

(c)三階模態振型 (d)四階模態振型

(e)五階模態振型 (f)六階模態振型

本章對白車身的模態進行了求解,并展示了結果,并在自由一自由邊界條件下進行了模態分析，從而獲得了前6階的模態頻率值。從中發現其低階的振動頻率相對優點偏低,不符合要求，這樣可能會由發動機引起振動,由此則很可能發生整體共振現象。因此得到結論，該車的剛度是不符合要求的。此外,通過進一步分析,行李箱擱板的局部模態也是不夠理想的,存在局部結構不夠合理的現象,因此可以對行李箱擱板局部結構進行分別優化。

六、結論

本文利用CATIA建立白車身模型，采用有限元分析軟件ANSYS導入了車身模態。通過模態分析結果進而分析車身結構的可靠性，提出可行性建議方案。

論文的工作總結如下：

(1)利用CATIA建立車身模型，運用ANSYS軟件，導入車身模型，為求解做好鋪墊。

(2)選取適當的網格尺寸和單元類型對幾何模型進行網格劃分,然后采用有限元分析方法測得白車身的頻率響應函數,提取白車身固有頻率、主振型。分析白車身動態特性,同時也為白車身結構的優化改進提供依據。

(3)由于白車身實際結構復雜性和本論文有限元建模的不完善，導致白車身固有頻率偏低，主振型存在偏差，分析固有頻率與理想值的差距并提出改進方案。

【參考文獻】

[1]汪成明.轎車白車身模態分析及其優化[D].合肥工業大學,2007.

[2]InternationalConfereneeonVehieleStrueturalMeehanics.FiniteElement APPlieationtoVehieleDesign.1974

[3]趙文杰.某客車車架的動態特性分析及匹配研究[D].合肥工業大學,2013.

[4]趙嫻.轎車白車身的有限元分析與研究[D].河北工業大學,2010.

[5]張迎濱.輕型客車白車身有限元建模及動靜態特性分析[D].東南大學,2004