某新能源汽車前艙裝飾罩模態分析與優化設計

高發華 賀鑫 汪躍中 董華東 王海峰

摘 要：在某款新能源汽車的設計開發過程中，為滿足NVH要求，降低前艙裝飾罩與電驅動總成共振風險，文章通過利用CAE軟件建立前艙裝飾罩有限元模型，并進行模態分析，根據CAE分析結果提出優化方案，再對優化方案進行模態分析，最終保證優化后的前艙裝飾罩實現隔聲降噪的目標，滿足性能要求，為前艙裝飾罩的改進和優化設計提供重要依據。

關鍵詞：前艙裝飾罩;模態分析;優化設計;CAE

中圖分類號：U463.2? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）17-01-04

Modal Analysis and Optimum Design of a New Energy Vehicle

Front Decoration Cover

Gao Fahua， He Xin， Wang Yuezhong， Dong Huadong， Wang Haifeng

（Chery New Energy Automotive Research Institute， Anhui Wuhu 241000）

Abstract： In the design and development process of a new energy vehicle， in order to meet the requirements of NVH and reduce the resonance risk between the front cabin decorative cover and the electric drive assembly， the finite element model of the front cabin decorative cover is established by using CAE software， and the modal analysis is carried out. Based on the results of CAE analysis， the optimization scheme is put forward， and then the modal analysis is carried out to ensure that the optimized front cabin decorative cover achieves sound insulation and noise reduction. The objective is to meet the performance requirements and provide an important basis for improving and optimizing the design of the front cabin decoration hood.

Keywords： Front decoration cover; Modal analysis; Optimum design; CAE

CLC NO.： U463.2? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-01-04

前言

前艙裝飾罩位于新能源汽車前艙上方，起到美觀大方、隔聲降噪的作用[1]。為滿足NVH要求，避免與電驅動總成發生共振，需要對前艙裝飾罩進行模態分析[2]。

本文利用Hypermesh前處理軟件建立某款新能源汽車的前艙裝飾罩有限元模型，轉換格式后導入Nastran軟件進行模態分析，再根據HyperView軟件考察是否滿足設計需求，針對CAE分析結果提出三種優化方案，最終確定能有效降低與前艙裝飾罩電驅動總成產生共振風險的最佳方案，滿足性能要求，為前艙裝飾罩的改進和優化設計提供重要依據。

1 CAE分析

1.1 CAE分析簡介

CAE（計算機輔助工程）的優勢在于可以在產品設計階段，通過建立基本的計算機分析模型，對產品進行模態、剛度、強度、疲勞等分析，從而縮短設計周期，降低產品開發成本[3]。

1.2 模態分析理論基礎

模態是機械結構的固有振動特性，具有特定的固有頻率和振型，與外部激勵條件無關[4]。而模態分析作為CAE分析的重要組成部分，亦是考量產品綜合性能的重要指標[5]。模態頻率響應分析是將n階自由度系統的運動方程坐標變換一次后，用振型坐標代替原來的有限元節點坐標[6]。將研究對象簡化為具有質量、彈性和阻尼的有限元單元彈性系統，其運動方程為[7]：

（1）

其中，[M]為質量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣， 分別為系統的加速度向量、速度向量和位移向量，{R（t）}為激振力向量。

由于模態分析是在無外載荷和無阻尼的情況下求解，因此只需求解自由振動方程[8]，即{R（t）}=0。此時得到系統的無阻尼自由振動微分方程：

（2）

當系統自由振動時，可以分解為一系列簡諧振動的疊加，結構的簡諧運動方程可以表述為[9]：

（3）

其中，U為各節點振幅，ω為該振型所對應的固有頻率， ?為相位角。將（3）代入（2）中，可得：

（4）

當系統發生自由振動時，一定有位移節點，式（4）必然有非零解，即：

（5）

系統的質量矩陣[M]、剛度矩陣[K]是由系統幾何結構、系統質量等固有屬性決定的。假設系統有n個自由度，則式（5）為關于ω2的n次代數方程，通過設定響應頻率，可以求解出n個特征值及特征向量，即對應研究對象的固有頻率值和振型。

2 前艙裝飾罩模型建立

2.1 建立CAE模型

根據設計部門提供的圖1所示的前艙裝飾罩實體模型，在Hypermesh前處理軟件中進行網格劃分[10]，采用四邊形殼單元為主，三角形網格過度的單元形態;網格基本尺寸為3mm。共119313個單元，如圖2所示。

其中，前艙裝飾罩的材料特性參數如表1所示。

2.2 分析工況

模態分析包括自由模態和約束模態，根據實際需求，本文采用約束模態的加載工況，計算前10階模態，約束前艙裝飾罩各個支架車身安裝孔全部自由度123456，分析工況如圖3所示。

3 仿真計算與結構優化

3.1 Nastran簡介

MSC.Nastran由美國MSC公司開發，因其具有標準的輸入、輸出格式，支持全范圍的材料模式、載荷和邊界條件，求解精度和運算效率高、可靠性強，分析范圍廣等優點為廣大企業所青睞[11]。

3.2 仿真計算與結果分析

將前艙裝飾罩的網格模型轉化為bdf文件，然后導入Nastran中進行模態分析，最后將計算生成的op2文件導入HyperView中進行后處理工作，得到前艙裝飾罩一階模態下的位移、應變能如圖4、圖5所示：

根據圖4、圖5可知，前艙裝飾罩的一階模態頻率為17.67Hz，不滿足目標值一階模態頻率≥23Hz的要求，可能會與電驅動總成產生共振，需要進一步優化。

3.3 結構優化

在和設計部門交流討論后，針對前艙裝飾罩模態不符合要求，提出三種結構優化方案。

（1）方案1：局部優化

在保證造型美觀的同時，對圖2所示的前艙裝飾罩上表面進行局部優化，在Hypermesh前處理軟件中進行網格劃分，建立方案1的前艙裝飾罩網格模型，其中以四邊形殼單元為主，三角形網格過度的單元形態;網格基本尺寸為3mm。共127450個單元，如圖6所示。

將圖6所示的方案1前艙裝飾罩網格模型轉化為bdf文件，然后導入Nastran中進行模態分析，最后將計算生成的op2文件導入HyperView中進行后處理工作，得到分析結果如圖7、8所示：

根據圖7可知，方案1前艙裝飾罩的一階模態頻率為18.93Hz，不滿足目標值一階模態頻率≥23Hz的要求，可能會與電驅動總成產生共振;而根據圖8應變能云圖可知，方案1前艙裝飾罩與車身連接的安裝孔處存在應力集中現象，需要進一步優化。

（2）方案2：增加兩排加強筋

在圖6所示的方案1前艙裝飾罩網格模型基礎上，增加兩排加強筋，在Hypermesh前處理軟件中進行網格劃分，建立方案2的前艙裝飾罩網格模型，其中以四邊形殼單元為主，三角形網格過度的單元形態;網格基本尺寸為3mm。共127669個單元，如圖9所示。

將圖9所示的方案2前艙裝飾罩網格模型轉化為bdf文件，然后導入Nastran中進行模態分析，最后將計算生成的op2文件導入HyperView中進行后處理工作，得到分析結果如圖10、11所示：

根據圖10、圖11可知，方案2前艙裝飾罩的一階模態頻率為19.22Hz，不滿足目標值一階模態頻率≥23Hz的要求，可能會與電驅動總成產生共振，需要進一步優化。

（3）方案3：增加四排加強筋

在圖6所示的方案1前艙裝飾罩網格模型基礎上，增加四排加強筋，在Hypermesh前處理軟件中進行網格劃分，建立方案3的前艙裝飾罩網格模型，其中以四邊形殼單元為主，三角形網格過度的單元形態;網格基本尺寸為3mm。共131280個單元，如圖12所示。

將圖12所示的方案3前艙裝飾罩網格模型轉化為bdf文件，然后導入Nastran中進行模態分析，最后將計算生成的op2文件導入HyperView中進行后處理工作，得到分析結果如圖13、14所示：

根據圖13、圖14可知，方案3前艙裝飾罩的一階模態頻率為23.06Hz，相對方案1、2明顯提升。能有效降低前艙裝飾罩與電驅動總成產生共振的風險，滿足目標值一階模態頻率≥23Hz的性能要求。

3.4 方案分析結果統計

根據上述分析，將原方案、優化方案1-3的分析結果匯總，如表2所示：

根據表1可知，方案1-3均相對原方案模態頻率有所提升，其中方案3模態頻率最大，滿足目標值一階模態頻率≥23Hz的性能要求，能有效降低與前艙裝飾罩電驅動總成產生共振的風險。

4 結論

（1）利用CAE分析建立前艙裝飾罩的有限元模型，對

現有前艙裝飾罩進行模態分析，發現前艙裝飾罩不滿足要求，需要進行結構優化。

（2）根據原方案的分析結果，提出三種方案，均相對原方案模態頻率有所提升，且方案3最佳，滿足性能要求。

（3）通過CAE技術對前艙裝飾罩不斷優化，最終確定最佳方案，為前艙裝飾罩的改進和優化設計提供重要依據。

參考文獻

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