羅克體，溫在慧

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西柳州545005）

汽車頂蓋剛度性能改善

羅克體，溫在慧

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西柳州545005）

某車型開發(fā)過程中，頂蓋出現(xiàn)剛度不足問題。通過對(duì)該問題進(jìn)行研究，并結(jié)合相關(guān)理論，對(duì)現(xiàn)有的頂蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。為避免優(yōu)化后的頂蓋和車室空腔聲學(xué)共振，再利用有限元軟件進(jìn)行頂蓋模態(tài)和剛度分析，保證優(yōu)化后的頂蓋模態(tài)和聲腔模態(tài)不發(fā)生耦合運(yùn)動(dòng)。

頂蓋；剛度；模態(tài)；聲腔

汽車頂蓋是車身上最大的塊板殼覆蓋件，若剛度不足，汽車在高速行駛時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，影響汽車的NVH性能。本文通過對(duì)某車型頂蓋剛度不足問題進(jìn)行分析及解決，最終通過實(shí)車驗(yàn)證，為今后頂蓋總成設(shè)計(jì)提供參考。

1 問題描述及初步分析

1.1問題描述

如圖1所示，對(duì)某車型頂蓋抗凹性CAE仿真分析模擬，從結(jié)果中發(fā)現(xiàn)頂蓋后部區(qū)域有兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)變形量較大，具體變形值見表1.

圖1 頂蓋剛度不足點(diǎn)位置

表1 剛度不足點(diǎn)變形值

在CAE分析中，一般用50 N加載變形小于1.8 mm作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)?？梢钥吹絻蓚€(gè)點(diǎn)的變形值均大于1.8 mm.說明這個(gè)區(qū)域可能存在剛度不足問題，需要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1.2 原因分析

通常，頂蓋剛度不足的原因有兩種：第一種是頂蓋是薄壁件，且支撐跨度大；第二種是受造型影響，頂蓋設(shè)計(jì)使用較大平滑弧面，特征較少。

如圖2所示，該車型頂蓋后部無筋條，設(shè)計(jì)使用較大平滑弧面，同時(shí)兩橫梁支撐距離達(dá)到424 mm.綜上所述，頂蓋后部無特征和支撐跨度大，是造成頂蓋剛度不足的根本原因。

圖2 頂蓋結(jié)構(gòu)模型

2 解決方案

根據(jù)剛度公式K（1，1）=3.144Eh3/12（1-u2）L2（其中L為板的長(zhǎng)度，h為板的厚度），板的剛度與長(zhǎng)度的平方成反比，與厚度的三次方成正比，與材料的楊氏模量成正比，要提高板的剛度，必須減小板的長(zhǎng)度并增加厚度，或者使用楊氏模量高的材料，顯然，由于設(shè)計(jì)限制，頂蓋的長(zhǎng)度不可能減小，也不可能增厚，材料很難更換[1]，因此，提高頂蓋剛度主要方案有：方案一，頂蓋增加筋條；方案二，頂蓋增加縱梁；方案三，增大頂蓋后部環(huán)氧補(bǔ)強(qiáng)板粘貼面積。

其中方案二和方案三均增加整車成本，故優(yōu)先考慮頂蓋增加筋條方案。具體加筋模型如圖3所示。

圖3 頂蓋加筋結(jié)構(gòu)模型

3 CAE驗(yàn)證分析

3.1 CAE模型建立的原則[2]

有限元計(jì)算模型的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的正確性和精確度，而有限元模型的規(guī)模又關(guān)系到計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，這兩方面對(duì)于轎車車身結(jié)構(gòu)分析都是非常關(guān)鍵的。

車身有限元模型的建立應(yīng)滿足以下要求：計(jì)算模型必須具有足夠的準(zhǔn)確性，要能反映工程結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特性、車身結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況，既要考慮形狀與構(gòu)成的一致性，又要考慮支撐情況和邊界約束條件的一致性。

計(jì)算模型要具有良好的經(jīng)濟(jì)性。復(fù)雜的計(jì)算模型一般具有較高的準(zhǔn)確性，但復(fù)雜的計(jì)算模型的建立相應(yīng)地會(huì)花費(fèi)更多的時(shí)間、人力、物力進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而使計(jì)算費(fèi)用大大增加。

建立模型過程中，通常都要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，這一簡(jiǎn)化要以符合結(jié)構(gòu)主要的力學(xué)特性為前提。現(xiàn)代轎車多采用全承載式車身，車體骨架結(jié)構(gòu)由車體結(jié)構(gòu)件以及覆蓋件焊接而成。主要承載零部件及總成包括前縱梁、后縱梁、門檻、頂蓋、地板、A柱、B柱、C柱、后風(fēng)窗支柱、前輪罩、后輪罩、前塔型支承、后塔型支承、后翼子板、后圍板、行李架等。目的在于分析整個(gè)車身殼體的剛度和薄弱環(huán)節(jié)等力學(xué)特性，過于細(xì)致地描述一些非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，不但增加建模的難度和單元的數(shù)目，還會(huì)使有限元模型的單元尺寸變化過于劇烈而影響計(jì)算精度。車身結(jié)構(gòu)中有的小尺寸結(jié)構(gòu)，如小孔、開口、翻邊、小筋和小凸臺(tái)，設(shè)計(jì)它們的目的通常是為了局部過渡或者工藝上避讓一些管線，而對(duì)整體剛度和強(qiáng)度影響不大，因此，在建模過程中做簡(jiǎn)化處理。而為了安裝零部件方便而設(shè)置的尺寸較大的孔基本都有翻邊，對(duì)整體剛度和局部強(qiáng)度影響較大，不能忽略。

3.2 CAE分析思路

頂蓋為薄板結(jié)構(gòu)，其模態(tài)容易和車室聲腔模態(tài)形成共振，故頂蓋除滿足剛度要求外，其本室模態(tài)還需避開車室聲腔模態(tài)。因此本次分析需先完成車室聲腔模態(tài)，保證優(yōu)化后的頂蓋模態(tài)避開聲腔模態(tài)。具體分析流程如圖4所示。

圖4 頂蓋具體分析流程

3.3 聲腔模態(tài)分析

車室空腔系統(tǒng)的聲學(xué)特性表現(xiàn)為與固有頻率和振型（聲壓分布）相聯(lián)系的聲學(xué)振動(dòng)模態(tài)。強(qiáng)迫振動(dòng)車室空腔的共振會(huì)明顯增大噪聲響應(yīng)。掌握車內(nèi)空腔的聲學(xué)模態(tài)頻率和模態(tài)振型，可以在設(shè)計(jì)過程中避免車室結(jié)構(gòu)振動(dòng)導(dǎo)致的車內(nèi)共鳴噪聲，合理布置和優(yōu)化車內(nèi)聲學(xué)特性，盡量使人耳處于關(guān)鍵聲學(xué)模態(tài)的節(jié)線位置，從而可獲得較好的舒適性。因此，在車室NVH設(shè)計(jì)階段，對(duì)車室聲腔進(jìn)行模態(tài)分析不僅可以避開車室壁板與車內(nèi)空腔聲學(xué)共振的可能性，還可以掌握空腔聲場(chǎng)的聲壓分布情況，為預(yù)測(cè)并分析動(dòng)態(tài)聲學(xué)響應(yīng)準(zhǔn)備必要的條件。

3.3.1 車室聲腔有限元模型的建立

首先在Hypermesh軟件中導(dǎo)人某轎車車身結(jié)構(gòu)有限元模型，提取車室內(nèi)部與空氣接觸的表面，構(gòu)成一個(gè)密閉的聲學(xué)空腔，在不影響計(jì)算精度的前提下對(duì)其進(jìn)行一些簡(jiǎn)化[3-4]：車身上用于裝配其它部件的螺釘、螺母以及零件中面與面之間較小的倒圓角，還有一些對(duì)力學(xué)結(jié)構(gòu)影響較小的沖壓筋、孔和工藝結(jié)構(gòu)等都需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。聲學(xué)單元的理想尺寸是每個(gè)波長(zhǎng)至少六個(gè)單元，根據(jù)空氣中的聲速和噪聲的分析頻率可以計(jì)算出聲波的波長(zhǎng)以及聲學(xué)單元的理想長(zhǎng)度。本文采用四面體單元建立聲學(xué)模型，單元的長(zhǎng)度約為45 mm.根據(jù)上述模型簡(jiǎn)化原則，在Hypermesh中建立如圖5所示的三維車室空腔聲學(xué)有限元模型，共有33 956個(gè)節(jié)點(diǎn)，155 865個(gè)單元。然后以DAT的格式導(dǎo)人到SYSNOISE中進(jìn)行聲學(xué)模態(tài)分析。

圖5 車室聲腔有限元模型

3.3.2 車室聲腔模態(tài)計(jì)算

對(duì)車室空腔聲學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到它的模態(tài)頻率和模態(tài)振型（即聲壓的分布情況）。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，空腔越長(zhǎng)頻率越低，一般第一階頻率不為零的聲學(xué)模態(tài)出現(xiàn)在40 Hz~80 Hz左右，表現(xiàn)為聲壓沿車室縱向分布的縱向聲學(xué)模態(tài)。

經(jīng)過計(jì)算得到聲學(xué)模態(tài)前10階聲學(xué)頻率和第1和第2階非零模態(tài)振型，如表2、圖6和圖7所示。其中第一階模態(tài)的頻率為0，表示車室內(nèi)各點(diǎn)聲壓變化的幅值相同，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)模態(tài)中的剛體模態(tài)。

表2 車內(nèi)聲腔模態(tài)頻率

圖6 車室聲腔第1階非零模態(tài)

圖7 車室聲腔第2階非零模態(tài)

由圖6可知，車室聲腔第1階非零模態(tài)為49.5 Hz，前排處于節(jié)線位置，后排座椅頭枕處聲壓較大，后續(xù)頂蓋設(shè)計(jì)需避開該模態(tài)。

3.4 加筋頂蓋模態(tài)分析

模態(tài)分析可定義為對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的解析分析和試驗(yàn)分析，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)持性用模態(tài)參數(shù)來表征。在數(shù)學(xué)上，模態(tài)參數(shù)是力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的特征值和特征矢量，而在試驗(yàn)方面則是試驗(yàn)測(cè)得的系統(tǒng)之極點(diǎn)（固有頻率和阻尼）和振型（模態(tài)向量）。構(gòu)件的模態(tài)就是指構(gòu)件本身的固有特性，可以利用模態(tài)分析得出構(gòu)件的相應(yīng)特性，然后對(duì)其設(shè)計(jì)加以改進(jìn)以達(dá)到使用要求。

3.4.1 建立加筋頂蓋有限元模型

由于整個(gè)頂蓋結(jié)構(gòu)是一個(gè)板殼覆蓋件，因此對(duì)模型進(jìn)行了以下處理：

（1）頂蓋所有零件都用板殼單元進(jìn)行離散，所有零件盡量采用四邊形板殼單元，三角形單元只占單元總數(shù)的7.5%.

（2）焊接位置采用rigid剛性單元模擬。

在頂蓋總成數(shù)模的基礎(chǔ)上，建立了頂蓋的有限元模型，最終模型單元總數(shù)為196 530個(gè)。

3.4.2 材料與屬性

計(jì)算中所使用的材料參數(shù)如下：

彈性模量：210 GPa；材料密度：7.85e+3 kg/m3；泊松比：0.3.

3.4.3 邊界條件

根據(jù)頂蓋與車體的連接關(guān)系，對(duì)其邊界進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，頂蓋周邊進(jìn)行全約束，計(jì)算分析60 Hz內(nèi)頂蓋模態(tài)。具體如圖8所示。

圖8 頂蓋邊界條件有限元模型

3.4.4 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

由于對(duì)頂蓋的振動(dòng)響應(yīng)影響相對(duì)較大的激勵(lì)頻率多集中在低頻域，為此分析了該蓋頂?shù)那?階頻率和第一階模態(tài)振型圖，具體如表3和圖9所示。

表3 頂蓋結(jié)構(gòu)模態(tài)和車室空腔模態(tài)對(duì)比

圖9 頂蓋第一階模態(tài)振型圖

由表3可知，優(yōu)化后的頂蓋均避開車身聲腔模態(tài)（49.5），說明加筋方案前提條件可行。

3.5 頂蓋剛度分析

3.5.1 邊界條件

頂蓋的抗凹剛度性能分析要考慮幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等。在分析中，選取6個(gè)薄弱點(diǎn)作為加載點(diǎn)，在加載點(diǎn)建立直徑為20 mm的剛性球垂直擠壓外板表面。在取點(diǎn)處法向分步加載50 N、150 N和400 N載荷，載荷方向沿考察點(diǎn)曲面的法向，頂蓋周邊進(jìn)行全約束，具體如圖10所示。

圖10 頂蓋剛度邊界條件

3.5.2 計(jì)算結(jié)果

通過有限元仿真分析，其測(cè)量點(diǎn)抗凹分析曲線如圖11所示。

圖11 測(cè)量點(diǎn)抗凹分析曲線圖

3.5.3 方案結(jié)果對(duì)比

如表4所示，頂蓋加筋方案實(shí)施后，其CAE模擬得到的變形值明顯下降，P3測(cè)量點(diǎn)變形值由2.08 mm降到0.86 mm，P4測(cè)量點(diǎn)變形值有2.55 mm降到1.13 mm，測(cè)量點(diǎn)變形值均滿足小于1.8 mm要求。

表4 P3和P4測(cè)量點(diǎn)優(yōu)化前后變形值對(duì)比

4 結(jié)論

本文利用Hypermesh分析軟件對(duì)車室聲腔有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，獲得了聲腔的固有頻率和模態(tài)振型，為避免優(yōu)化后的頂蓋結(jié)構(gòu)與車室空腔聲學(xué)共振提供了非常有價(jià)值的資料，同時(shí)達(dá)到了縮短設(shè)計(jì)周期、降低成本、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性的目的。因此，這種分析改進(jìn)方法可以推廣應(yīng)用到其他新車型開發(fā)項(xiàng)目中，具有實(shí)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

[1]龐劍.汽車噪音與振動(dòng)——理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]屈求真.轎車車身結(jié)構(gòu)的有限元分析與評(píng)價(jià)[J].汽車工程，1996，18（3）：148-151.

[3]鮑春燕，雷剛．LF520車室聲腔模態(tài)分析[J]．重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，自然科學(xué)版，2008，22（10）：14—16．

[4]劉成武，黃鼎鍵，鐘勇.基于NVH的車內(nèi)聲腔模態(tài)分析[J].福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（9）：56-59.

Car Roof Stiffness Performance Improvement

LUO Ke-ti，WEN Zai-hui
（Dongfeng Liuzhou Mobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

A model in the development process，the roof stiffness shortage problem，through the study of the problem，and combining with related theory，the existing roof design optimization.In order to avoid the optimized roof and car room acoustic resonance cavity，and reuse the top rigidity and modal analysis based on the finite element software，guarantee the optimized roof modal harmonic modes coupling movement does not occur.

roof；stiffness；modal；spoke

U463.83

A

1672-545X（2017）06-0026-04

2017-03-14

羅克體（1987-），男，廣西人，學(xué)士，助理工程師，目前從事汽車白車身開發(fā)工作；溫在慧（1991-），男，浙江人，學(xué)士，助理工程師，目前從事汽車白車身開發(fā)工作。