某轎車白車身模態(tài)有限元分析與試驗(yàn)研究*

韓 陽(yáng)，李洪力，朱延鵬

(海馬轎車有限公司，河南鄭州 450016)

0 引言

模態(tài)特征作為車身振動(dòng)系統(tǒng)特性的一個(gè)重要特征，影響到汽車的舒適性、安全性和可靠性［1］。其低階模態(tài)反映出車身的剛度性能，區(qū)域模態(tài)特征影響到車內(nèi)噪聲的傳遞，所以利用模態(tài)特征來(lái)優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，越來(lái)越受到各主機(jī)廠的關(guān)注。以某轎車白車身為研究對(duì)象，建立白車身有限元模型，對(duì)白車身進(jìn)行有限元分析，得出其固有頻率、振型等模型，利用白車身模態(tài)試驗(yàn)證有限元結(jié)構(gòu)的正確性。進(jìn)一步，利用模擬分析位移云圖的分布特征，對(duì)白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 試驗(yàn)方法

1．1白車身結(jié)構(gòu)有限元模型

采用自由模態(tài)分析分析方法，對(duì)某車型白車身進(jìn)行有限元分析簡(jiǎn)化分析，進(jìn)而建立有限元分析模型。白車身板件采用Shell單元，單元基準(zhǔn)長(zhǎng)度8 mm，板件之間焊點(diǎn)采用ACM連接單元模擬，涂膠采用Adhesives連接單元模擬，螺栓用RBE2單元模擬，某轎車試驗(yàn)白車身如圖1所示，建立的白車身有限元模型如圖2所示，有限元分析材料信息如表1所列。

圖1 模態(tài)試驗(yàn)的白車身

圖2 白車身的有限元模型

表1 材料信息表

1．2 模態(tài)試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是基于激振力和系統(tǒng)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)施加激振力，相應(yīng)采集系統(tǒng)采集。某白車身模態(tài)試驗(yàn)采用兩點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)響應(yīng)的方法進(jìn)行白車身模態(tài)實(shí)驗(yàn)，采用LMS公司提供的激振器在白車身前后部位同時(shí)激勵(lì)，相應(yīng)傳感器采用ICP三軸向加速度傳感器，在車身各個(gè)測(cè)量點(diǎn)處測(cè)量不同方向上的相應(yīng)信號(hào)。車身采用空氣彈簧支撐，使白車身保持自由狀態(tài)。

在試驗(yàn)過(guò)程中，標(biāo)示的測(cè)點(diǎn)能夠表達(dá)白車身主要結(jié)構(gòu)特征，并采用德國(guó)GOM公司TRITOP三維測(cè)量系統(tǒng)對(duì)白車身測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三坐標(biāo)的測(cè)量，將白車身支撐并激勵(lì)，然后采用LMS測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行分析。

圖3 前部支撐及激勵(lì)

圖4 后部支撐及激勵(lì)

2 白車身實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

2．1 有限元結(jié)果分析

如圖5～9所示部分典型階數(shù)的模態(tài)有限元分析結(jié)果，車身一階模態(tài)頻率為25．9 Hz(見圖5)，此時(shí)頂棚發(fā)生震動(dòng);一階扭轉(zhuǎn)頻率為31．45 Hz(見圖6);水箱縱梁震動(dòng)頻率為44．86 Hz(見圖7);前段橫擺和備胎的震動(dòng)頻率為48．15 Hz(見圖8);一階彎曲震動(dòng)頻率為 49．06 Hz(見圖9)。

圖5 25．90 Hz下的位移云圖

圖6 31．45 Hz下的位移云圖

圖7 44．86 Hz下的位移云圖

圖8 48．15 Hz下的位移云圖

圖9 49．06 Hz下的位移云圖

2．2 模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)包括:激勵(lì)、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、模態(tài)識(shí)別等幾部分。在白車身模態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理同步進(jìn)行，白車身系統(tǒng)的模態(tài)確認(rèn)表(見表2)及綜合響應(yīng)的綜合頻響函數(shù)曲線(見圖10)、模態(tài)置信度分析(見圖11)可以得出各階模態(tài)頻率、阻尼比、陣型描述及其陣型。

表2 模態(tài)確認(rèn)表

如圖12～15所示部分典型階數(shù)的模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，車身一階模態(tài)頻率為28．23 Hz(見圖12)，此時(shí)頂棚發(fā)生震動(dòng);一階扭轉(zhuǎn)頻率為32．67 Hz(見圖13);一階彎曲和水箱縱梁震動(dòng)頻率為45．14 Hz(見圖14);前段橫擺和備胎的震動(dòng)頻率為48．08 Hz(見圖15)。

圖10 穩(wěn)態(tài)圖

圖11 模態(tài)置信度分析(MAC)圖

圖12 28．23 Hz下的陣型

圖13 32．67 Hz下的陣型

圖14 45．14 Hz下的陣型

圖15 48．08 Hz下的陣型

3 有限元與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

有限元與試驗(yàn)結(jié)果是模態(tài)分析的兩大方法［2］，如表3所示可以看出部分典型狀態(tài)下模擬分析和試驗(yàn)頻率結(jié)果相差在10%的范圍之內(nèi)，并且一階扭轉(zhuǎn)和一階彎曲都滿足預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)值。說(shuō)明有限元方法和試驗(yàn)方法的固有頻率和固有陣型都具有較好的一致性。因此，建立的有限元模型是正確的。

表3 有限元與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

4 利用位移云圖能優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)

車身結(jié)構(gòu)彈性位移變化直接影響汽車的安全性，如果車門變形大會(huì)導(dǎo)致車門開關(guān)困難，風(fēng)擋窗框的彈性變形大，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)擋玻璃被擠碎［3］。利用CAE位移云圖可以直觀地反映風(fēng)擋窗框、車門及其他部位位移變化較大的位置，進(jìn)而可以有針對(duì)地對(duì)車身風(fēng)擋窗框、車門結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。通過(guò)各模態(tài)的應(yīng)變能分析，可以提高車身的局部剛度，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，提高車身的設(shè)計(jì)質(zhì)量。為了保證車身有必要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度性能，將車身結(jié)構(gòu)的低階彈性模態(tài)參數(shù)提高到一定水平［4］。合理修改關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸主要是提高模態(tài)剛度的方法?？梢酝ㄟ^(guò)車身結(jié)構(gòu)彈性位移變化直接影響汽車的安全性。利用CAE后處理，位移云圖可以直觀地反映各狀態(tài)下模態(tài)的白車身的位移分析，進(jìn)而可以提高車身的局部剛度，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，提高車身的設(shè)計(jì)質(zhì)量［5］。

從圖5可以看出，當(dāng)頻率達(dá)到25．90 Hz時(shí)，頂棚最大變形量為5．427 mm，頂棚及側(cè)圍上板變形量較大，這會(huì)導(dǎo)致風(fēng)窗玻璃被擠碎，也會(huì)照成頂棚擠壓車門，照成車門開門不順暢，所以頂棚和側(cè)圍上板需要優(yōu)化。從圖6可以看出，當(dāng)頻率達(dá)到31．45 Hz時(shí)，頂蓋后部最大變形量為6．512 mm，頂蓋后部振動(dòng)較為劇烈，這會(huì)影響整車的NVH性能，所以此處要對(duì)頂蓋進(jìn)行工藝性優(yōu)化。從圖7，當(dāng)頻率達(dá)到44．86 Hz，水箱縱梁最大變形量0．366 mm;從圖8，當(dāng)頻率達(dá)到48．15 Hz，前端橫擺和備胎最大變形量0．291 mm;從圖9，當(dāng)頻率達(dá)到49．06 Hz，水箱縱梁最大變形量0．353 mm，均在許可的范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

(1)有限元分析一階扭轉(zhuǎn)31．45 Hz，高于設(shè)定的目標(biāo)值31 Hz;一階彎曲49．06 Hz，高于目標(biāo)值45 Hz。滿足設(shè)計(jì)時(shí)整車設(shè)定目標(biāo)。

(2)通過(guò)穩(wěn)態(tài)圖、模態(tài)置信度分析及模態(tài)狀態(tài)確認(rèn)表得出各階模態(tài)頻率、陣型描述。試驗(yàn)表明車身一階頻率為28．23 Hz，表現(xiàn)為頂棚振動(dòng)，一階扭轉(zhuǎn)頻率為 32．67 Hz，一階彎曲為 45．14 Hz，兩個(gè)頻率錯(cuò)開較遠(yuǎn)，不會(huì)引起耦合共振。

(3)通過(guò)有限元和試驗(yàn)結(jié)果兩種方法對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模擬分析和試驗(yàn)頻率相差在10%的范圍之內(nèi)。說(shuō)明有限元方法和試驗(yàn)方法的固有頻率和固有陣型具有較好的一致性。建立的有限元模型是正確的。

(4)通過(guò)有限元結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率達(dá)到25．90 Hz時(shí)，頂棚最大變形量為5．427 mm，當(dāng)頻率達(dá)到31．45 Hz時(shí)，頂蓋后部最大變形量為6．512mm，這會(huì)影響到汽車的舒適性、安全性和可靠性，所以要對(duì)頂棚和頂蓋后部進(jìn)行優(yōu)化。

［1］ 楊 英，趙廣耀，孟凡亮．某轎車白車身模態(tài)分析與試驗(yàn)研究［J］．東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，29(7):1045 －1048．

［2］ 張學(xué)榮．NJ6400白車身結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用，2002，15(3):38 －40．

［3］ 靳曉雄，張立軍．汽車噪聲的預(yù)測(cè)與控制［M］．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2004．

［4］ Barry D．CAD analysis isa pow erful integrator［J］．Electronic Prod uct Design，2004，25(3):20－ 22．

［5］ 李 偉，史文庫(kù)．模態(tài)分析在輕型載貨車變型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．噪聲與振動(dòng)控制，2008(4):75 －78．