基于靈敏度分析的SUV后背門模態(tài)分析與優(yōu)化

溫鵬飛，錢 煒

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

基于靈敏度分析的SUV后背門模態(tài)分析與優(yōu)化

溫鵬飛，錢 煒

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

采用有限元分析方法，對(duì)某公司SUV后背門動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行綜合分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。并以ANSA軟件進(jìn)行前處理網(wǎng)格劃分及建立有限元模型，通過(guò)MSC.Nastran軟件進(jìn)行計(jì)算，基于Hyperview軟件得出結(jié)果云圖。通過(guò)分析與計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其一階模態(tài)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min時(shí)的激勵(lì)頻率相接近，容易產(chǎn)生共振，導(dǎo)致車內(nèi)振動(dòng)噪聲過(guò)大；為了改善后背門存在的這種現(xiàn)象，需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。使用靈敏度分析方法對(duì)后背門進(jìn)行模態(tài)靈敏度分析，選出對(duì)模態(tài)敏感度高的部件，然后對(duì)這些部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；對(duì)比優(yōu)化前后的模態(tài)和剛度，其值均有所提高，達(dá)到了所要求的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也避免了共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

SUV；后背門；模態(tài)；靈敏度分析

車門是汽車的相對(duì)獨(dú)立的開(kāi)閉部件，可以隔絕車身外部的噪聲，緩沖來(lái)自外界的沖擊力，以確保乘客在使用過(guò)程中的舒適性與安全性[1]。而后背門又是所有開(kāi)閉件當(dāng)中最大的一個(gè)，對(duì)于整個(gè)車身的強(qiáng)度及NVH等性能也有著比較大的影響。國(guó)內(nèi)對(duì)于汽車的側(cè)門等其他部件有較多的研究和投入，而對(duì)于后背門的研究則相對(duì)較少，也缺少相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。后背門如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致其行駛過(guò)程中振動(dòng)過(guò)于激烈，密封性及抵抗變形能力差[2]，這樣會(huì)影響其美觀以及車身的整體性能。本文以某款SUV的后背門作為研究對(duì)象，建立模態(tài)及靈敏度分析模型，對(duì)SUV后背門進(jìn)行模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其模態(tài)和剛度都得到提升。

1 構(gòu)建SUV后背門有限元分析模型

在有限元分析中，要想得到一個(gè)精確的分析結(jié)果，必須構(gòu)建一個(gè)完整而符合標(biāo)準(zhǔn)的有限元模型。首先，在CATIA中建立后背門的三維模型，將其導(dǎo)入ANSA中，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)模型進(jìn)行幾何清理，便于保證單元質(zhì)量，提高計(jì)算效率[3]。幾何清理包含刪除多余的線條、重復(fù)面以及這些線條和面上殘留的多余點(diǎn)、添加丟失的面、去除不必要的倒角、小圓孔、適當(dāng)?shù)男揎楇s亂無(wú)章的輪廓線等[4]。根據(jù)所研究后背門的幾何形狀及特點(diǎn)，參照表1有限元模型網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的單元，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一般選擇4節(jié)點(diǎn)的quads單元和3節(jié)點(diǎn)的trias單元，以4節(jié)點(diǎn)單元為主，3節(jié)點(diǎn)單元主要是為了滿足網(wǎng)格過(guò)度需要，以保證網(wǎng)格質(zhì)量。依據(jù)后背門的尺寸大小，采用大小為10 mm的網(wǎng)格單元。然后對(duì)板件進(jìn)行連接裝配，采用CWELD和RBE2單元來(lái)模擬板件之間點(diǎn)焊和剛性連接，最后得到了比較精準(zhǔn)的后背門有限元網(wǎng)格圖。

表1 有限元模型網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)

建立好的后背門有限元模型網(wǎng)格單元數(shù)為33 176，節(jié)點(diǎn)數(shù)為36 110。其中三角形比例為3.8%，符合<5%的要求，如圖1和圖2所示。SUV后背門的材料參數(shù)如表2所示。

圖1 后背門正面網(wǎng)格圖

圖2 后背門反面網(wǎng)格圖

材料密度泊松比彈性模量剛7.85E+3kg/m30.3210Gpa

2 SUV后背門模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析理論

車輛行駛在路面上，不可避免的會(huì)受到各種振動(dòng)激勵(lì)，無(wú)論是來(lái)自外界路面等的激勵(lì)，還是自身發(fā)動(dòng)機(jī)等的激勵(lì)，都會(huì)使車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)[5]。當(dāng)車身整體或某些部件的固有頻率與這些振源的激勵(lì)頻率相近時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致共振現(xiàn)象發(fā)生，車身出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)，并產(chǎn)生較大的噪聲，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞[6 ]；致使后背門密封不嚴(yán)，出現(xiàn)變形等現(xiàn)象，影響車身整體的NVH性能和美觀。所以有必要對(duì)后背門進(jìn)行振動(dòng)特性分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而提高汽車的舒適性與可靠性。 模態(tài)分析數(shù)學(xué)模型參見(jiàn)式(1)。根據(jù)模態(tài)理論[7]

(1)

2.2 模態(tài)分析與計(jì)算

模態(tài)可以反映汽車的NVH性能以及整體剛度。通常用自由邊界條件下的模態(tài)來(lái)評(píng)價(jià)SUV后背門的動(dòng)態(tài)特性，各階模態(tài)頻率和模態(tài)振型作為評(píng)價(jià)模態(tài)的主要參數(shù)[8]。在ANSA中建立好的有限元模型導(dǎo)入MSC.Nastran中進(jìn)行求解計(jì)算。

在分析實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)，一般是前幾階低階模態(tài)起主要作用，這是因?yàn)榈碗A模態(tài)剛度相對(duì)較小，在同樣的激勵(lì)作用下，響應(yīng)所占的比重較大[9]。因此，基于以上理論結(jié)合所分析車型后背門的具體情況，只需要分析前4階模態(tài)。將后背門模型導(dǎo)入Nastran進(jìn)行計(jì)算，開(kāi)將計(jì)算所得結(jié)果導(dǎo)入HyperView進(jìn)行后處理分析，得到后背門的前四階模態(tài)頻率及模態(tài)振型圖，如表3和圖3、圖6所示。

表3 前4階模態(tài)分析

圖3 一階模態(tài)：34.75 Hz(一階扭轉(zhuǎn)模態(tài))

圖4 二階模態(tài)：67.44 Hz(一階彎曲模態(tài))

圖5 三階模態(tài)：81.83 Hz(二階扭轉(zhuǎn)模態(tài))

圖6 四階模態(tài)：100.73 Hz(內(nèi)外板局部模態(tài))

2.3 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

汽車在正常路面上行駛的情況下，路面對(duì)汽車的激勵(lì)頻率一般約為20 Hz[10]；而本文所研究的SUV在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000轉(zhuǎn)/min時(shí)的激振頻率為33.35 Hz。

從結(jié)果分析可見(jiàn)，后背門的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為34.75 Hz，雖說(shuō)避開(kāi)了路面激勵(lì)頻率，但是與發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率較接近，容易發(fā)生共振，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致車身產(chǎn)生很大的噪聲；也反映了后背門局部剛度不足的缺陷。所以需要對(duì)后背門進(jìn)行的改進(jìn)優(yōu)化，使其滿足模態(tài)與剛度要求。

3 對(duì)后背門進(jìn)行靈敏度分析

3.1 靈敏度方法

靈敏度(Sensitivity)是基于系統(tǒng)中物理量的微分關(guān)系，來(lái)得到響應(yīng)變量對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感程度的方法[11]。研究與分析一個(gè)模型的輸出變化對(duì)系統(tǒng)參數(shù)或周圍條件變化的敏感程度的方法[12]。通過(guò)靈敏度分析方法進(jìn)行優(yōu)化分析，可以快速地找到需要集中優(yōu)化的部件，再無(wú)需對(duì)所有部件一一進(jìn)行優(yōu)化，這樣只需對(duì)模型貢獻(xiàn)較大的部件進(jìn)行優(yōu)化，明確優(yōu)化目標(biāo)[13]，也成倍地提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)效率,降低了設(shè)計(jì)成本。

3.2 后背門模態(tài)靈敏度分析

模態(tài)靈敏度分析是以后背門各鈑金件的厚度作為設(shè)計(jì)變量，以一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率作為響應(yīng)靈敏度，根據(jù)所得的分析數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。表4和表5分別為后背門各部件名稱及其一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)靈敏度。

表4 后背門各部件名稱

表5 SUV后背門各部件靈敏度

根據(jù)表5的靈敏度分析結(jié)果，確認(rèn)后背門結(jié)構(gòu)中對(duì)后背門一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率貢獻(xiàn)度較大的零部件[14]，確定了模態(tài)靈敏度值由高到低的前5個(gè)零件進(jìn)行分析優(yōu)化，靈敏度柱狀圖如圖7所示。

圖7 前5個(gè)最高一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)靈敏度柱狀圖

前5個(gè)最高一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)靈敏度零件如圖8所示。

圖8 零件圖

3.3 對(duì)所選取的零件進(jìn)行優(yōu)化處理

使用靈敏度方法分析完成之后，對(duì)所選取零件進(jìn)行優(yōu)化處理，優(yōu)化處理是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及所研究車型的具體情況調(diào)整零部件厚度，具體調(diào)整方案為增加對(duì)模態(tài)敏感零部件的厚度。各零部件優(yōu)化前后對(duì)比如表6所示。

表6 后背門各零部件厚度優(yōu)化前后對(duì)比

3.4 優(yōu)化結(jié)果

對(duì)零部件厚度調(diào)整后的后背門模型驗(yàn)證模態(tài)及剛度，對(duì)比優(yōu)化前后一階模態(tài)頻率及剛度性能指標(biāo)的變化，如表7所示，適度調(diào)整零部件厚度之后，后背門的彎扭剛度及模態(tài)都有大幅度的變化，一階模態(tài)頻率43.55 Hz,遠(yuǎn)超出了發(fā)動(dòng)機(jī)1 000 r/min時(shí)的激勵(lì)頻率33.35 Hz，避免了共振的發(fā)生[15]；同時(shí)也提升了后背門整體彎扭剛度。

表7 優(yōu)化前后各性能指標(biāo)變化對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

建立了SUV后背門的有限元模型，運(yùn)用有限元分析軟件，對(duì)后背門進(jìn)行了模態(tài)分析，通過(guò)靈敏度分析方法確定了優(yōu)化方案，并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，最終使得后背門一階模態(tài)頻率提高了25%，扭轉(zhuǎn)剛度提高了0.93%，彎曲剛度提高了4%；既避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生，又提高了后背門的彎扭剛度，達(dá)到了預(yù)期的效果，使其綜合性能得到了提升；同時(shí)也說(shuō)明了這種優(yōu)化方案的可行性。這種分析改進(jìn)方法不僅可以用于后背門的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可以用于其它結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析當(dāng)中；同時(shí)，也可一定程度上節(jié)約時(shí)間和降低成本。

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Modal Analysis and Optimization of a SUV Hatchback Door Based on Sensitivity Analysis

WEN Pengfei，QIAN Wei

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai 200093，China)

The comprehensive analysis method for hatchback door modal characteristics and structrual optimization of a SUV is investigated by using the way of the Finite Element Method.The FEA model of SUV hatchback door is established by ANSA,calculated by MSC Nastran and post-processed by Hyperview software. Through the analysis and calculation, it is found that the first mode frequency is close to the excitation frequency of the engine when the engine speed is 1000r/min. It is easy to produce resonance imaging, leading to excessive vibration noise in the car. In order to improve the existence of the back door of this phenomenon, it is necessary to optimize the structure.Meanwhile,the sensitivity analysis method is adopted to run modal sensitivity analysis and optimize structure on the hatchback door.Then compare the modal and stiffness before and after optimization.The value of the modal and stiffness is improved and meet the qualification. At the same time, the resonance phenomenon is avoided.

SUV；hatchback door；modal；sensitivity analysis

2016- 03- 23

溫鵬飛(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：車身輕量化。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.039

TP391.9；PU463

A

1007-7820(2017)01-143-04