白車身骨架模態(tài)研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬保林 熊輝 張略

摘? 要：為了提高某承載式車身骨架的模態(tài)，解決其在汽車行駛過程中與外界激勵(lì)頻率重合產(chǎn)生共振和異響，改善白車身骨架的NVH性能，對(duì)某轎車白車身進(jìn)行研究并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。根據(jù)有限元分析及實(shí)車驗(yàn)證，這些結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案對(duì)改善車身模態(tài)頻率具有良好的效果，為其他車型提供設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，白車身，有限元分析

中圖分類號(hào)：U463.8? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2024）02-0047-05

Research on the BIW Modal and Optimization Design of the Structural

Ma Bao-lin， Xiong Hui， Zhang Lue

（Chery Automobile Co.， Ltd.， WuHu 241000， China）

Abstract： In order to improve the mode of a load-bearing body frame， solve the resonance and abnormal noise caused by its overlap with the external excitation frequency during the driving process of the car， and improve the NVH performance of the BIW skeleton， the BIW of a car was studied， and the structural optimization design of key components was carried out， and the finite element analysis was carried out to verify it. According to the finite element analysis and actual vehicle verification， these structural optimization schemes have a good effect on improving the modal frequency of the body， and provide design reference for other models.

Key Words： Modal Analysis; Structural Optimization; Body-In-White; Finite Element Analysis

1? ? 前言

隨著我國汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，乘員對(duì)于汽車振動(dòng)噪聲品質(zhì)的要求不斷提高。NVH是指在車輛工作條件下乘客感覺到的噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度，是衡量汽車質(zhì)量的一個(gè)綜合性問題，給乘客的感受是最直接和最突出的。

從NVH的原理來看，汽車是一個(gè)由激勵(lì)源、振動(dòng)傳遞器和噪聲發(fā)射器組成的系統(tǒng)。汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、輪轂、車胎，甚至是道路、空氣都會(huì)成為激勵(lì)源。振動(dòng)與噪聲通過懸架、車身及其他零部件傳導(dǎo)至車內(nèi)空間，最終造成振動(dòng)及聲學(xué)反應(yīng)。因此，車身是振動(dòng)及噪聲傳播的必然載體之一。車身不但將噪聲進(jìn)行傳播，其本身也是造成振動(dòng)及噪聲的主要因素。從傳動(dòng)裝置來看，汽車在運(yùn)行時(shí)，車體的抖動(dòng)及車身周圍空氣的快速流動(dòng)都是激勵(lì)源。其噪聲主要從發(fā)動(dòng)機(jī)、排放裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、輪胎與地面的摩擦、散熱裝置中產(chǎn)生[1]。

白車身扭轉(zhuǎn)模態(tài)是車身結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，不僅反映了汽車車身的整體剛度性能，而且是控制汽車NVH特性的關(guān)鍵指標(biāo)，其重要程度等同于車身的長(zhǎng)度、寬度、高度等重要性能參數(shù)[2]。車身模態(tài)偏低，外界的激勵(lì)頻率會(huì)與車身模態(tài)頻率重合產(chǎn)生共振，汽車車身壁板會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象且在振動(dòng)激勵(lì)作用下極易產(chǎn)生振幅噪聲，這會(huì)對(duì)車輛的NVH性能產(chǎn)生巨大的影響。因此車身模態(tài)控制最基本的原則是避免共振，在進(jìn)行模態(tài)規(guī)劃時(shí)，需要考慮其他系統(tǒng)的激勵(lì)頻率范圍，并與激勵(lì)源頻率錯(cuò)開[3]。

車身按照受力情況可分為非承載式和承載式兩種，其中承載式車身也叫無車架式車身，如圖1所示。該車身的特點(diǎn)是汽車沒有車架，車身就作為發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤各總成的安裝基礎(chǔ)。承載式車身的優(yōu)點(diǎn)是燃油經(jīng)濟(jì)性、操控性、舒適性好，缺點(diǎn)是其車輛載荷全部由汽車車身承受，引起車內(nèi)振動(dòng)及異響的可能性大。

天窗是車身結(jié)構(gòu)的重要附件，其中全景天窗由于采光面積大、視野開闊，備受客戶青睞，近幾年成為市場(chǎng)上天窗的主流。但由于其需要在白車身車頂設(shè)計(jì)較大的開口，且無法布置橫梁等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，存在著弱化白車身結(jié)構(gòu)、降低整車模態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

2? ? 問題分析

某款轎車車身為承載式車身，采用全景天窗，因此在其開發(fā)過程中車身模態(tài)的提升是一項(xiàng)極其重要的內(nèi)容。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研得到了9款競(jìng)品車型的扭轉(zhuǎn)模態(tài)數(shù)據(jù)，競(jìng)品車型的平均扭轉(zhuǎn)模態(tài)為47.0Hz，其中競(jìng)品車型4的扭轉(zhuǎn)模態(tài)最優(yōu)達(dá)到了51.2Hz，詳細(xì)如圖2所示。

為探索白車身模態(tài)性能指標(biāo)，大多研究者對(duì)白車身有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到白車身的固有頻率和相應(yīng)振型，通過仿真結(jié)果判斷模態(tài)頻率是否耦合[5]。在車型開發(fā)階段車身模態(tài)偏低，項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)人員快速識(shí)別車身模態(tài)性能薄弱區(qū)域，提出優(yōu)化方案，從而提升整車性能，提高車型設(shè)計(jì)效率，縮短汽車設(shè)計(jì)周期[6]。對(duì)未進(jìn)行模態(tài)優(yōu)化的該車身進(jìn)行有限元分析，其車身模態(tài)頻率為40.2Hz，如圖3所示。為了滿足車企模態(tài)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，并保持產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，該款轎車將要達(dá)到的扭轉(zhuǎn)模態(tài)目標(biāo)定為50.0Hz。

3? ? 典型方案

為了達(dá)到扭轉(zhuǎn)模態(tài)目標(biāo)，針對(duì)該白車身進(jìn)行了大量的分析與驗(yàn)證，其中大部分方案對(duì)車身模態(tài)具有改善效果，少部分方案反而會(huì)降低車身模態(tài)。本文選擇了以下幾種典型的方案作為研究對(duì)象。

3.1? ?A柱下隔板模態(tài)優(yōu)化方案驗(yàn)證

A柱下隔板的整體改善思路為對(duì)加強(qiáng)筋進(jìn)行更改，同時(shí)進(jìn)行修邊補(bǔ)齊。方案一的設(shè)計(jì)是將原有加強(qiáng)筋貫通，并進(jìn)行修邊補(bǔ)齊；方案二的設(shè)計(jì)是將加強(qiáng)筋做橫向處理，并進(jìn)行修邊補(bǔ)齊；方案三的設(shè)計(jì)是更改加強(qiáng)筋的方向，進(jìn)行修邊補(bǔ)齊，同時(shí)將黃色框處的撐腿切掉；詳細(xì)如圖4所示。經(jīng)過分析驗(yàn)證，得到這三種方案驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

3.2? ?天窗安裝板模態(tài)優(yōu)化

天窗安裝板的改善思路為對(duì)天窗安裝板進(jìn)行分塊，并改變局部安裝板厚度。方案一的設(shè)計(jì)是將天窗安裝板進(jìn)行前后分塊，并將天窗安裝板前端黃色部分局部增厚至2.5cm；方案二的設(shè)計(jì)是將天窗安裝板進(jìn)行左右分塊，并將天窗安裝板左右側(cè)黃色部分局部增厚至2.5cm；方案三的設(shè)計(jì)是將天窗安裝板左右前后均進(jìn)行分塊，并將四拐角黃色部分局部增厚至2.5cm；詳細(xì)如圖5所示。經(jīng)過分析驗(yàn)證，得到這三種方案的驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。

3.3? ?C柱內(nèi)板上接頭模態(tài)優(yōu)化

針對(duì)C柱內(nèi)板上接頭模態(tài)優(yōu)化方案有兩個(gè)，方案一是將藍(lán)色區(qū)域局部加厚至1.0mm，且將C柱內(nèi)板缺口補(bǔ)齊；方案二是增加兩條深度7mm的加強(qiáng)筋，且尾部加翻邊，周邊零部件再配合更改；詳細(xì)見圖6所示，經(jīng)過分析驗(yàn)證，得到這兩種方案的驗(yàn)證結(jié)果如表3所示。

3.4? ?結(jié)構(gòu)膠方案優(yōu)化

在鈑金件之間的接頭處增加結(jié)構(gòu)膠，也可以改善車身模態(tài)。整體改善方案為在B柱加強(qiáng)板與豎板之間增加210mm長(zhǎng)結(jié)構(gòu)膠、A柱下加強(qiáng)板與豎板之間增加310mm長(zhǎng)結(jié)構(gòu)膠，A柱下加強(qiáng)板與豎板間增加230mm長(zhǎng)結(jié)構(gòu)膠、側(cè)圍外板與加強(qiáng)板間增加320mm長(zhǎng)結(jié)構(gòu)膠、側(cè)圍外板與輪置包邊處增加630mm長(zhǎng)結(jié)構(gòu)膠，詳細(xì)如圖7所示，經(jīng)過分析驗(yàn)證，增加結(jié)構(gòu)膠后車身模態(tài)改善了0.1Hz，重量幾乎無變化。

3.5? ?包裹架橫梁模態(tài)優(yōu)化

包裹架橫梁的改善思路為增加橫梁截面的長(zhǎng)度。方案一的設(shè)計(jì)是將前橫梁X向截面增加41mm，同時(shí)將后橫梁Z向截面增加23mm；方案二的設(shè)計(jì)是將前橫梁Z向截面增加22mm，后橫梁Z向截面增加24mm；詳細(xì)如圖8所示，經(jīng)過分析驗(yàn)證，得到這兩種方案的驗(yàn)證結(jié)果如表4所示。

3.6? ?大燈橫梁結(jié)構(gòu)改善方案分析

并非所有的結(jié)構(gòu)改善方案都能起到提高改善車身模態(tài)的作用，在驗(yàn)證的方案中有一部分會(huì)起到相反的效果。如圖所示為大燈橫梁的模態(tài)優(yōu)化方案，其中方案一的設(shè)計(jì)是優(yōu)化大燈橫梁后端安裝面，消除2個(gè)安裝點(diǎn)的面差；方案二的設(shè)計(jì)是取消左右側(cè)大燈橫梁；詳細(xì)如圖9所示。經(jīng)過分析驗(yàn)證，得到這兩種方案的驗(yàn)證結(jié)果如表3所示。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，這兩種方案的實(shí)施將會(huì)降低車身模態(tài)。經(jīng)過分析，在方案一中原方案的臺(tái)階面相當(dāng)于在平面上增加了一道加強(qiáng)筋并提升了安裝點(diǎn)的剛度，使得接頭處受到的力更容易傳遞，因此將該臺(tái)階面改成平面后車身模態(tài)有所降低。在方案二中取消左右側(cè)的大燈橫梁弱化了零部件之間的連接，割斷了力傳導(dǎo)導(dǎo)致模態(tài)下降，從反面來分析大燈橫梁對(duì)提升車身模態(tài)至關(guān)重要，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

經(jīng)過大量此類的方案設(shè)計(jì)之后，對(duì)白車身進(jìn)行有限元分析，如圖10所示。根據(jù)分析結(jié)果，白車身的骨架模態(tài)得到了明顯的改善，由原來的40.2Hz增加到了49.8Hz，詳細(xì)如圖11所示。在本項(xiàng)目試制階段，全部的模態(tài)改善方案體現(xiàn)以后，進(jìn)行實(shí)車方案試驗(yàn)驗(yàn)證，得到白車身實(shí)車扭轉(zhuǎn)模態(tài)為50.2 Hz，與理論分析結(jié)果基本吻合。

4? ? 總結(jié)

本文對(duì)某款轎車白車身骨架為例，研究了幾種不同的設(shè)計(jì)方案對(duì)白車身模態(tài)的影響，總結(jié)得到以下幾種提升白車身模態(tài)的通用思路，為同類配置車型提升模態(tài)提供指導(dǎo)意義：

（1）對(duì)白車身進(jìn)行有限元分析，觀察應(yīng)變能密度云圖，識(shí)別出應(yīng)變能密度高的部位設(shè)法加強(qiáng)。對(duì)于鈑金件，可通過在鈑金件上增加加強(qiáng)筋，并且選擇合適的加強(qiáng)筋排列方向提高車身模態(tài)。對(duì)于橫梁類零件，可通過加大橫梁截面、或者增加零件的厚度的方式提升模態(tài)。

（2）零部件與零部件之間的連接處往往是模態(tài)性能薄弱的區(qū)域，因此強(qiáng)化零部件之間的連接也是提升車身模態(tài)的重要途徑。在鈑金件之間的接頭處增加結(jié)構(gòu)膠提升了模態(tài)頻率。在零部件之間增加加強(qiáng)梁以強(qiáng)化零部件間的連接，也可以提升車身模態(tài)。

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