某SUV尾門模態性能分析及輕量化設計

段龍楊

某SUV尾門模態性能分析及輕量化設計

段龍楊1,2,3

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330200；2.江西省乘用車結構設計工程研究中心，江西 南昌 330200；3.江西省汽車噪聲與振動重點實驗室，江西 南昌 330200）

以某SUV尾門為研究對象，首先建立尾門有限元模型，對其進行自由模態分析，分析結果表明其前三階頻率均大于激勵頻率，符合動態性能要求。然后采用錘擊法對其進行模態試驗，試驗結果表明其仿真結果與試驗結果基本一致。最后對尾門的結構參數進行優化設計，得到其最優的厚度值，并且其重量減小了5.5%，實現了輕量化的效果。

尾門；有限元；模態；輕量化

引言

車門是車輛系統中最重要的部件之一，其主要由外板、內板、加強板及其附屬件組成。車門的剛度性能和強度主要影響其疲勞性能和可靠性，其模態性能主要影響著車輛的舒適性。若車門與車身、路面和發動機等外界激勵頻率不匹配時，將使系統相互之間的耦合加強，造成車門振動增大，也容易產生共振風險，嚴重影響整車的舒適度。與此同時，隨著能源越來越緊張和環境污染越來越嚴重，節能減排是汽車行業必須重視的問題。研究表明，車輛每減輕100 kg，燃油經濟性可提升6 %，并且可以降低一定的尾氣排放，因此車輛的輕量化是目前汽車領域重要的研究手段。為了研究某SUV尾門的模態性能，首先建立尾門有限元模型，對其進行模態性能分析，然后對其進行模態試驗，驗證有限元分析的正確性，最后對其進行輕量化設計，獲取尾門的最優結構參數。

1 模態分析原理

基于結構振動力學理論可以獲取尾門的運動方程[1]：

式中：[]表示尾門的質量矩陣；[]表示尾門的阻尼矩陣；[]表示尾門的剛度矩陣；{}為表示尾門的位移向量。

式中：表示尾門的固有頻率，{}表示尾門的模態陣型。

2 建立尾門有限元模型

某SUV尾門主要由外板、內板和兩側加強板組成，外板的厚度為1.8 mm，內板的厚度為1.6 mm，加強板的厚度為2.0 mm，尾門的重量為23.6 kg，將其三維數字模型導入Hypermesh軟件[2-3]中。由于尾門的外板、內板和加強板均屬于薄的沖壓鈑金件，因此分別抽取它們的中性面，然后清理其幾何表面，忽悠微小特征，并刪除對模態性能影響比較小的零部件。根據尾門模型的實際尺寸，保證分析精度，并盡量減少計算時間，采用5 mm的四邊形單元對尾門的各個部件進行網格劃分，過渡區域可以采用三角形單元連接。外板與內板通過包邊連接，采用四邊形單元共節點連接。兩側加強板與內板通過焊縫連接，采用ACM單元連接能夠較好的表征力學傳遞關系。尾門的材料牌號為DC01，其彈性模量為2.1E+5 MPa，泊松比為0.3，密度為7.85E+3 kg/m3。根據尾門的材料牌號和厚度建立相應的材料屬性，以此建立尾門有限元模型，如圖1所示。

圖1 尾門有限元模型

3 模態性能分析

通過尾門的模態性能分析可以獲取其模態頻率及其陣型，能夠識別出共振風險。尾門的自由模態性能分析是指不加載任何約束和載荷，因此基于尾門有限元模型，采用Nastran軟件[4-5]不作任何約束，對其進行模態性能分析，得到其第一階、第二階和第三階模態頻率分別為35.7 Hz、62.3 Hz和76.4 Hz。

圖2 尾門第一階陣型云圖

如圖2所示，為尾門第一階陣型云圖。由圖2可知，其陣型表現為整體扭轉，其模態振幅最大為19.88 mm。

如圖3所示，為尾門第二階陣型云圖。由圖3可知，其陣型表現為整體彎曲，其模態振幅最大為19.15 mm。

圖3 尾門第二階陣型云圖

如圖4所示，為尾門第三階陣型云圖。由圖4可知，其陣型表現為中部凸起，其模態振幅最大為22.53 mm。

圖4 尾門第三階陣型云圖

該SUV發動機的額定運行頻率為30 Hz，路面的激勵頻率范圍為10～20 Hz，因此尾門的模態頻率有效地避開了外界的激勵頻率范圍，不會產生共振，完全滿足尾門的振動特性要求。

4 模態試驗

為了校核有限元分析的準確性，將尾門采用彈性繩將尾門懸掛與試驗臺上，使其處于無約束狀態，采用單點激勵多點響應和錘擊法對尾門進行模態試驗，并基于頻響函數法進行數據處理，得到其模態試驗值及試驗陣型。如圖5～圖7所示，分別為尾門的前三階模態試驗陣型。由圖5～圖7可知，尾門的前三階試驗陣型分別表現為扭轉、彎曲和凸起，與模態仿真陣型相吻合。

圖5 尾門第一階試驗陣型

圖6 尾門第二階試驗陣型

圖7 尾門第三階試驗陣型

如表1所示為尾門的模態試驗值與仿真值對比。由表1知，尾門的模態頻率仿真值與試驗值的誤差率均在實際工程誤差范圍之內，進一步驗證了模態性能分析的可靠性。

表1 模態仿真值與試驗值對比

階數仿真值試驗值誤差率 第一階頻率/Hz35.734.24.4% 第二階頻率/Hz62.360.13.7% 第三階頻率/Hz76.471.66.7%

5 輕量化設計

通過尾門的模態性能分析可知，其振動性能擁有足夠的富余量，具有輕量化的空間，因此將尾門外板的厚度值、內板的厚度值和加強板的厚度值作為設計變量，將尾門重量最小化作為目標函數，將其第一階模態頻率大于33 Hz作為約束函數，采用第二代非劣排序遺傳算法[6]對尾門進行結構優化，最終得到尾門外板的厚度為1.6 mm，內板的厚度為1.2 mm，加強板的厚度為1.5 mm。

圖8 優化之后的尾門第一階陣型云圖

優化之后尾門的前三階固有頻率分別為33.2 Hz、58.7 Hz和70.1 Hz，其模態頻率仍然高于激勵頻率，符合性能要求。如圖8～圖10所示分別為優化之后尾門的前三階陣型云圖。由圖8～圖10可知，優化之后尾門的前三階模態振幅最大分別為17.89 mm、17.24 mm和20.28 mm，其陣型與優化之前相同。

圖9 優化之后的尾門第二階陣型云圖

圖10 優化之后的尾門第三階陣型云圖

與此同時，優化之后尾門的重量為22.3 kg，相對于優化之前，其重量減輕了5.5%，實現了輕量化的效果。

6 結論

基于CAE技術建立尾門有限元網格，對其進行自由模態性能分析，得到其前三階固有頻率分別為35.7 Hz、62.3 Hz和76.4 Hz，避開了外界激勵頻率，符合振動特性要求。采用單點激勵多點響應方法對尾門進行模態試驗，模態試驗值與仿真值基本一致，誤差率較小。采用第二代非劣排序遺傳算法對尾門的結構進行優化設計，得到了尾門的最優厚度值，并且其重量減輕了5.5%，達到了輕量化的目的。

[1] 朱茂桃,陳亞洲.基于靈敏度方法的車門模態優化[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2014,33(1):139-143.

[2] 龍巖,蔣凌山,劉雪強,等.某轎車車門輕量化與疲勞壽命多目標綜合優化[J].中南大學學報(自然科學版),2019,50(11):2732-2742.

[3] 錢銀超,劉向征,鄧衛東,等.汽車車門有限元分析及綜合性能優化[J].機械設計與制造,2018,(7):192-195.

[4] 秦訓鵬,馮佳偉,王永亮,等.基于響應面方法的微型車車門模態分析與優化[J].中國機械工程,2017,28(14):1690-1695.

[5] 呂彩琴,王宏偉,孫權.某電動轎車車身結構優化與NVH性能提升[J].現代制造工程,2020(10):57-61.

[6] 劉昊,周成,于存貴.隨車起重機伸縮臂截面多目標優化[J].機械設計與研究,2020,36(1):173-176.

Modal Performance Analysis and Lightweight Design of a SUV Tail Gate

DUAN Longyang1,2,3

( 1.Jiangling Motors Corporation Limited Company, Jiangxi Nanchang 330200;2.Passenger Car Structure Design Engineering Research Center of Jiangxi Province, Jiangxi Nanchang 330200;3.Key Laboratory of Automobile Noise and Vibration of Jiangxi Province, Jiangxi Nanchang 330200 )

The tail gate of an SUV was taked as the research object. Firstly, the tail gate finite element model was established, and it was modal analyzed, the analysised result showed that its first three frequencies were greater than the excitation frequency, so it could meet dynamic performance requirements. Secondly, it was modal tested by adopting hammer method, the test result showed that its simulation results were basically consistented with the experimental result. Lastly, the structure parameters of the tail gate were optimized, so the optimal thickness were obtained, and its weight was reduced by 5%, the lightweight effect was realized.

Tail gate; Finite element; Modal;Lightweight

U463.83+4

A

1671-7988(2021)20-104-04

U463.83+4

A

1671-7988(2021)20-104-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.025

段龍楊（1966—），男，高級工程師，碩士，就職于江鈴汽車股份有限公司，主要從事車輛工程研究。