某轎車白車身模態(tài)仿真分析

田國(guó)紅，齊登科，孫立國(guó)（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

某轎車白車身模態(tài)仿真分析

田國(guó)紅，齊登科，孫立國(guó)
（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

摘 要：以某國(guó)產(chǎn)轎車白車身為研究對(duì)象，用HyperWorks軟件建立了以殼單元為主的白車身有限元模型，通過(guò)Nastran對(duì)該模型進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，得到白車身的各階模態(tài)頻率和模態(tài)特性。結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果，分析汽車運(yùn)行時(shí)來(lái)自于外界和內(nèi)部激勵(lì)源的振動(dòng)，為該款車后續(xù)的動(dòng)態(tài)特性改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵字：白車身；Hyperworks；模態(tài)分析；激勵(lì)源；有限元

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.016

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-38-03

引言

現(xiàn)代汽車可以看作一個(gè)復(fù)雜的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，在受到外界激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)外界的激振源頻率與汽車系統(tǒng)固有頻率接近或相同時(shí)，會(huì)使汽車與其產(chǎn)生共振。車身是轎車重要組成部分，被看作是一個(gè)連續(xù)的彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其固有振動(dòng)頻率表現(xiàn)為無(wú)限多的固有模態(tài)。低階模態(tài)多是整體振型，如整體扭轉(zhuǎn)、彎曲振型；高階模態(tài)多是一些局部的振型，如地板振型、車頂振型等。汽車NVH性能對(duì)整車模態(tài)分布是否合理影響較大[1]，因而模態(tài)分析在汽車設(shè)計(jì)和研究過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用。模態(tài)分析技術(shù)是一門重要的工程技術(shù)，對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析在車身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面意義重大[2]。本文以某款轎車為研究對(duì)象，先通過(guò)對(duì)3D白車身模型的建立，然后在Hypermesh中進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?，最后在?duì)其進(jìn)行模態(tài)計(jì)算和分析。

1、白車身模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是以線性振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)，研究激勵(lì)、系統(tǒng)、響應(yīng)三者的關(guān)系。主要是運(yùn)用有限元法對(duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，建立系統(tǒng)特征值問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，求取系統(tǒng)特征值與特征向量，即相當(dāng)于求取系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型[3]。

模態(tài)求解就是提取振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)微分方程的特征值(頻率)和特征向量（振型）。通過(guò)分析車身低階模態(tài)頻率和模態(tài)振型，一方面能考察車身的整體剛度特性，另一方面還可以優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，從而使車身模態(tài)頻率避開(kāi)來(lái)自多方面的激振頻率。所以說(shuō)，科研人員在白車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，車身整體的低階模態(tài)是重要的不可忽視的一塊。

對(duì)于一個(gè)N自由度線性定常系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)方程可寫成：

(1)式中，[M]、[C]、[K]、{x}、{r}分別指結(jié)構(gòu)質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣、位移響應(yīng)向量、激勵(lì)力向量。進(jìn)行模態(tài)分析，主要求解固有頻率和振型參數(shù)，與外載荷無(wú)關(guān)，可以使{r}={0},則可得系統(tǒng)的自由振動(dòng)方程。在計(jì)算固有頻率和固有振型時(shí),結(jié)構(gòu)阻尼影響很小，可以忽略不計(jì)，這時(shí)可得無(wú)阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程:

其對(duì)應(yīng)的特征方程為：

式（3）中，ωi是自由振動(dòng)固有頻率，由（3）可得N個(gè)自由度的系統(tǒng)有N個(gè)固有頻率。上式轉(zhuǎn)化為實(shí)特征值問(wèn)題,{￠}有非零解的充要條件是：解方程可得到一組頻率解ωi(i=1,2,…,n)，代入式(3)可得每一頻率下對(duì)應(yīng)的位移。

2、白車身有限元模型的建立

轎車白車身是一種復(fù)雜的鈑金沖壓結(jié)構(gòu)，由多個(gè)鈑金壓件焊接組成。其由多個(gè)總成組成，包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙總成，地板總成，后圍總成，頂蓋總成，左側(cè)和右側(cè)總成等。本文先利用3D軟件CATIA建立白車身的幾何模型，并根據(jù)FEM計(jì)算的需要和要求，進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，在模型建立完成之后，將幾何模型轉(zhuǎn)化為IGES格式文件，導(dǎo)入到有限元前處理軟件Hypermesh中。 圖1為白車身建模流程。

白車身有限元建模的基礎(chǔ)及主要工作就是白車身有限元的前處理。處理完之后最終達(dá)到所需要的網(wǎng)格質(zhì)量要求，并對(duì)其進(jìn)行添加焊點(diǎn)單元。整個(gè)車身有523093個(gè)殼單元，其中三角形單元18831個(gè)，占2D單元的3.6%。本文建立某轎車白車身的有限元模型如圖2所示，網(wǎng)格質(zhì)量要求如表1所示：

表1　網(wǎng)格質(zhì)量要求

3、白車身模態(tài)分析

在建立有限元模型后，經(jīng)輸出參數(shù)設(shè)定，利用Nastran求解器應(yīng)用Lanczos算法計(jì)算白車身60Hz以下的固有頻率和振型。白車身模態(tài)分析重點(diǎn)關(guān)注第 1 階彎、扭等整體模態(tài)頻率，但為了全面分析該車的白車身模態(tài)，提取了前7的模態(tài)振型，如圖3所示。

從圖3中的模態(tài)振型可觀察到，前圍板、前橫梁、頂棚和后備箱地板覆蓋面積大而薄的沖壓件，因其剛度小而易產(chǎn)生局部模態(tài)。排除局部模態(tài)對(duì)整體結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響，得到白車身的整體模態(tài)。圖1為各階模態(tài)頻率和振型。

表1　各階模態(tài)頻率和振型

通過(guò)表1中的模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)只有第2階和第6階模態(tài)是整車模態(tài)，其余都是局部模態(tài)。白車身結(jié)構(gòu)在安裝車身附件后，其整體模態(tài)變化也很小，因此對(duì)其進(jìn)行研究可以改善汽車的振動(dòng)特性。而局部模態(tài)在安裝車身附件后變化很大，有的會(huì)因附件的安裝該階模態(tài)會(huì)消失，因而模態(tài)分析時(shí)只關(guān)注整車的模態(tài)。當(dāng)頻率為32.9Hz時(shí)為整車一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，當(dāng)頻率為55.2Hz時(shí)為整車一階彎曲模態(tài)，其余各階模態(tài)均為局部模態(tài)或者多個(gè)局部模態(tài)的疊加。

據(jù)研究人員發(fā)現(xiàn)，汽車運(yùn)行時(shí)來(lái)自各種外界和內(nèi)部激勵(lì)源的激勵(lì)，這些激勵(lì)主要包括：

1.車輪不平衡會(huì)引起振動(dòng)，引起的激振頻率一般低于11Hz，隨著現(xiàn)在輪軸制造質(zhì)量及檢測(cè)水平的提高，此激勵(lì)分量較小，易于避免。

2.來(lái)自路面激勵(lì)是由道路條件決定，其激勵(lì)頻率為1-3Hz，對(duì)低頻振動(dòng)影響比較大。

3.發(fā)動(dòng)機(jī)引引起的振動(dòng)分為兩部分：怠速和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速。怠速時(shí)的激振頻率在25Hz左右(怠速為750r/min,4缸發(fā)動(dòng)機(jī))，此激勵(lì)分量較大。在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速行駛時(shí)（r=3000r/min，4缸發(fā)動(dòng)機(jī)），激振頻率較大（大于100Hz），在這些頻率的激勵(lì)下白車身呈現(xiàn)局部模態(tài)，對(duì)白車身整體影響不大，不必對(duì)其做過(guò)多考慮。

4.在城市行駛時(shí)，車速控制在20-80Km/h，高速公路上車速控制在80-120KnFh，一般轎車傳動(dòng)軸不平衡引起的振動(dòng)頻率范圍在40Hz（經(jīng)驗(yàn)值）以上，但此激勵(lì)分量較小。

通過(guò)以上各種激勵(lì)源的分析可以知道，當(dāng)固有頻率為32.9Hz和55.2Hz時(shí)，可以有效避開(kāi)各激勵(lì)源的頻率值和頻率分量，設(shè)計(jì)比較合理。當(dāng)汽車正常行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率已經(jīng)遠(yuǎn)大于汽車的整體模態(tài)頻率，不會(huì)引起汽車的共振。

4、結(jié)論

本文根據(jù)某款轎車建立了白車身的模態(tài)分析有限元模型，計(jì)算了0-60Hz范圍內(nèi)的自由狀態(tài)下的振動(dòng)響應(yīng)，然后對(duì)模態(tài)振型和對(duì)應(yīng)的頻率進(jìn)行說(shuō)明，并根據(jù)局部模態(tài)和整體模態(tài)對(duì)其影響，去掉局部的模態(tài)頻率和振型，最后得出此款車型的整體模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率。在此固有頻率下能夠很好避開(kāi)各種外部和內(nèi)部的激勵(lì)源對(duì)應(yīng)的頻率，從而可以避免共振的發(fā)生。 通過(guò)對(duì)此款車的白車身模態(tài)分析，了解了白車身的基本模態(tài)屬性，為以后汽車頻率響應(yīng)分析、NVH分析奠定了基礎(chǔ)，為后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)、試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

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Modal Simulation Analysis of Car's Body-In-White

Tian Guohong, Qi Dengke, Sun Liguo
（Liaoning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）

Abstract:Taking a domestic car white body as the research object, In this paper, the FEM model of a car's body-in-white is created with Hypermesh FEM soft-ware. A modal simulation is done to analyze the BIW by the software Nastran,so as to get the different orders modal frequency and modal characteristics. In combination with the modal analysis results, analysis the vibratio from the internal and external exciting source when the car running ,which will supply the reference standard for dynamic design of the subsequent improvement of the car design.

Keywords:body-in-white; Hyperworks; modal analysis; Excitation source; FEM

作者簡(jiǎn)介：齊登科，就職于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院。

中圖分類號(hào)：U467.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2015)10-38-03