某純電動SUV復合材料后背門模態分析與優化

陳磊 董華東

摘要：以某純電動SUV汽車的后背門為研究對象，利用有限元優化設計理論，提出一種復合材料后背門模態仿真分析方法，在Hypermesh軟件中進行網格劃分和仿真模型搭建，采用MSC.Nastran軟件進行求解計算，利用Hyperview軟件查看結果云圖。通過分析其Trimmed模態，提出三種優化方案進行結構優化，保證質量不增加的前提下，使后背門第一階彎曲模態提升至25.3Hz，達到設計目標，為后期純電動汽車后背門優化設計提供指導。

Abstract： Taking the tailgate of a pure electric SUV as the research object， using the FEM optimization design theory， a modal simulation analysis method of composite tailgate is proposed. HyperMesh software is used to mesh and build the model MSC.Nastran Software to calculate， based on the Hyperview software to get the results of the cloud. Based on the analysis of trimmed mode， a variety of optimization schemes are proposed to optimize the structure. Under the premise of ensuring the weight does not increase， the first bending mode of tailgate is raised to 25.3Hz， achieving the expected goal， which provides guidance for the optimization design of pure electric tailgate in the later stage.

關鍵詞：純電動汽車;后背門;有限元;Trimmed模態;輕量化

Key words： electric vehicle;tailgate;finite element;trimmed mode;lightweight

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0008-02

0? 引言

純電動汽車是目前及未來汽車行業的主要發展方向，輕量化是純電動汽車發展的必然選擇。其中，關于后背門的設計是純電動汽車輕量化研究的重要內容。高云凱[1]為提高車門剛度并考慮輕量化的要求，提出以拼焊板車門下沉剛度和質量的多目標優化，利用NSGA-II遺傳算法進行尋優，最終得到滿足目標的輕量化車門。段端祥[2]以某款純電動汽車的電池箱體為研究對象，采用T300/5224復合材料進行多方向尺寸優化，優化后使各項性能出現提高，同時重量也大大減輕。目前，國內外后背門有限元仿真分析模型主要是以傳統金屬后背門為研究對象，尚沒有詳細的純電動車復合材料后背門的建模方法。因此，本文以某純電動SUV汽車復合材料后背門為研究對象，利用有限元軟件對其進行Trimmed模態仿真分析。通過對優化方案進行仿真計算，最終得到了滿足目標要求的設計方案，且優化后的設計方案相對于原設計方案，質量并沒有增加。

1? 后背門有限元仿真分析

1.1 后背門有限元建模

所研究的后背門是某純電動SUV汽車全新開發零件，外板材料為改性聚丙烯PP+EPDM-T30，內板材料為長玻纖增強聚丙烯PP-LGF40，其總成件外觀尺寸為805mm ×1323mm×105mm。此后背門包含鉸鏈、內板、外板、風擋玻璃、鈑金加強板、緩沖墊、密封膠條、鎖體、尾燈、雨刮電機等附件。筆者在前處理軟件HyperMesh中建立后背門有限元模型，設置完成的約束模態分析工況導入Nastran求解器進行求解。

鉸鏈、內板、外板、風擋玻璃和鈑金加強板均為薄壁件，其長度和寬度方向尺寸遠大于厚度方向尺寸，采用殼單元CQUAD4進行離散化，網格單元大小設為3×3mm;當后背門處于關閉狀態下，緩沖墊和密封膠條對后背門均具有支撐作用，可通過建立局部坐標系，選擇彈簧-阻尼單元CBUSH進行模擬;鎖體、尾燈、雨刮電機等附件，不考慮其幾何特征，但需要考慮其質量對后背門模態的影響，故選擇集中質量單元CONM2代替。

內板和外板、風擋玻璃之間的膠粘連接用Adhesives單元模擬;鈑金加強板與內板之間的螺栓連接用RBE2單元模擬;集中質量單元與安裝點之間的連接用RBE3單元模擬。

最終建立的后背門有限元模型單元總數為147172，節點總數為143325，網格質量檢查均滿足設定的目標值，符合建模規范，模型質量為25.2Kg。

本文主要研究此后背門的模態特性，完全約束車身側鉸鏈、緩沖墊和密封膠條;鎖鉤處需要建立局部坐標系;建立后背門Trimmed模型，如圖1所示。

1.2 后背門Trimmed模態分析

純電動汽車由于沒有發動機噪聲的掩蔽，行駛過程中產生的噪聲對駕駛舒適性影響很大。車身振動會使后背門密封不嚴，出現局部變形等現象，影響整車的NVH性能，所以必須對后背門進行振動特性分析。后背門模態性能與整車NVH性能密切相關，因此，對后背門進行結構設計時，必須滿足設定的目標值。根據模態理論[3]

式中，K為剛度矩陣;為第i階模態的陣型向量;為第i階模態的固有頻率;M為質量矩陣。

在實際工程開發過程中，重點關注前幾階低階模態，主要由于低階模態剛度相對較小，在同樣的激勵作用下，響應所占的比重較大，振型更易被外界激勵激起，引起共振。基于以上理論，分析得出后背門一階彎曲模態為23.2Hz，小于設計目標25Hz，仿真結果如圖2所示。

2? 后背門優化設計及仿真分析

2.1 后背門優化方案

通過后背門Trimmed模態分析結果可知，第1階彎曲頻率為23.2Hz，低于目標值25Hz，振型為后背門整體呈彎曲狀態。根據模態振型，判斷其薄弱位置出現在后背門中間部位，因此優化方向為通過提高后背門中間部位剛度以提高其第一階彎曲模態，且需要保證后背門總質量不能增加。主要采取的優化方案如表1所示。（圖3-圖5）

2.2 優化方案仿真對比分析

針對上述提出的方案進行仿真分析，由于整車質量目標的限制，后背優化方案質量需要盡可能低于原設計方案質量。三種優化方案前3階模態頻率如表2所示，優化方案對應的振型如圖6-圖8所示。通過對比分析可知，優化方案3在質量未增加的前提下，后背門第一階彎曲模態由23.2Hz提升至25.3Hz，滿足設計目標。

3? 結論

本文建立了純電動SUV復合材料的有限元模型，以后背門Trimmed模態為優化目標，提出了三種優化方案，其中優化方案3在質量未增加的前提下，后背門第一階彎曲模態由23.3Hz提升至25.3Hz，達到設計目標。優化方案3在量產車上得到體現，在實車驗證中，并沒有出現異響等NVH問題。

參考文獻：

[1]高云凱，申振宇，馮兆玄，李應軍.多目標優化在車門輕量化設計中的應用[J].同濟大學學報（自然科學版），2017，45（02）：275-280，308.

[2]段端祥，趙曉昱.純電動汽車碳纖維復合材料電池箱體的鋪層設計研究[J].玻璃鋼/復合材料，2018（06）：83-88.

[3]鄧本波.汽車振動乘坐舒適性的評價方法研究[D].合肥：合肥工業大學，2005.