基于正交試驗(yàn)的汽車白車身優(yōu)化

劉 偉 ，王 平，夏洪兵，李 琦 ，穆瑞林

(1. 中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2. 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300457)

噪聲性能是駕駛員與乘客主觀感受最明顯的特性之一，噪聲性能指標(biāo)已逐漸成為衡量車輛性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一[1]．車內(nèi)噪聲從頻率的角度可以分為低頻、中頻和高頻噪聲．其中，低頻噪聲由結(jié)構(gòu)振動傳遞引起，可以通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)降低進(jìn)行改善．同時，節(jié)能減排和提高材料利用率也是汽車工業(yè)追求的目標(biāo)之一，因此應(yīng)該在保證汽車性能的前提下，盡可能地降低汽車總質(zhì)量．

2012年，唐曉峰等[2]根據(jù)車輛優(yōu)化設(shè)計過程對試驗(yàn)設(shè)計的要求，深入研究推導(dǎo)了構(gòu)造復(fù)雜正交試驗(yàn)設(shè)計矩陣的數(shù)學(xué)算法，并且據(jù)此開發(fā)了復(fù)雜正交試驗(yàn)設(shè)計軟件．2015年，胡小舟等[3]針對白車身有限元模型，采用模態(tài)應(yīng)變能方法進(jìn)行第一輪板件篩選，隨后進(jìn)行板件靈敏度分析，針對低頻一階模態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)與厚度的優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)白車身低頻模態(tài)性能提升的同時不增加車身質(zhì)量．2016年，錢平等[4]基于白車身有限元模型進(jìn)行了白車身自由模態(tài)分析，根據(jù)一階彎扭模態(tài)結(jié)果進(jìn)行板件厚度靈敏度分析，對白車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時根據(jù)板件厚度靈敏度分析結(jié)果進(jìn)行了板件厚度輕量化分析，最終減重 26.4,kg．2017年，羅淼等[5]針對汽車整備車身采用有限元和能量統(tǒng)計的方法，從低頻和高頻角度進(jìn)行車身板件材料優(yōu)化，低頻特性主要考察了局部動剛度和聲學(xué)靈敏度，最終在減重的同時保證整車聲學(xué)性能不降低．2017年，左文杰等[6]以剛度、強(qiáng)度、模態(tài)為約束，進(jìn)行了基于白車身有限元模型的白車身板厚尺寸優(yōu)化，優(yōu)化中選取了 82個組件，以厚度為變量，采用序列線性規(guī)劃的方法進(jìn)行非線性優(yōu)化，最終白車身減重 34.6,kg，白車身整體質(zhì)量下降 11.4%,．2017年，許少楠等[7]以某商用車白車身為研究對象，采用有限元技術(shù)進(jìn)行低頻模態(tài)分析與優(yōu)化，最終提出更改頂蓋弧度的方案，以提高駕駛室一階模態(tài)頻率．綜上，可以采用應(yīng)變能法、板厚靈敏度法、能量統(tǒng)計法等進(jìn)行有的放矢的白車身優(yōu)化工作，但是，優(yōu)化中通常依靠經(jīng)驗(yàn)對目標(biāo)板件厚度進(jìn)行設(shè)定，未能科學(xué)系統(tǒng)地進(jìn)行最優(yōu)板件選取．同時，在板件厚度優(yōu)化中，依靠人力進(jìn)行前處理、后處理等工作，耗時過多，將 CAE工程師束縛在這種重復(fù)性較高的工作中．

本文以某型 SUV白車身為研究對象，進(jìn)行基于有限元法的白車身模態(tài)分析與優(yōu)化，采用正交試驗(yàn)法對白車身部分板件厚度進(jìn)行量化，提出新的板件厚度量化流程，在前處理與后處理中大大縮減了操作流程和耗時．

1 某白車身模態(tài)分析

將正交試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于某型SUV白車身板件厚度優(yōu)化，流程見圖 1．a(chǎn)為分析板件的厚度個數(shù)；n為分析板件的個數(shù)．

圖1 板件厚度定量分析流程圖Fig. 1 Flow chart of quantitative analysis of plate thickness

對白車身幾何模型進(jìn)行離散處理，車身鈑金件采用 10,mm×10,mm 殼體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，焊點(diǎn)采用六面體單元模擬焊核，rbe3單元連接焊核與焊接板件，焊核尺寸為 6,mm，粘膠采用實(shí)體單元與彈性單元模擬，白車身總質(zhì)量373.3,kg，單元總數(shù) 774,293個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)794,114個，建立的有限元模型見圖2．

采用 Lanczos方法進(jìn)行白車身有限元模型自由模態(tài)求解．通常白車身低頻頻率特性只關(guān)注一階彎曲模態(tài)、一階前端橫擺模態(tài)、一階后端開口扭轉(zhuǎn)模態(tài)(簡稱一階后扭模態(tài))．

圖2 白車身有限元模型Fig. 2 BIP finite element model

自由白車身彈性模態(tài)分析結(jié)果顯示(表 1)，一階前端橫擺模態(tài)、一階彎曲模態(tài)、一階后扭模態(tài)均未達(dá)標(biāo)．下一步采用靈敏度優(yōu)化理論，以板件厚度為變量，分別針對一階彎曲模態(tài)和一階后扭模態(tài)進(jìn)行板厚靈敏度分析，根據(jù)靈敏度分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)與板件厚度優(yōu)化，對一階前端橫擺模態(tài)進(jìn)行基于模態(tài)應(yīng)變能法的局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終自由白車身彈性模態(tài)優(yōu)化結(jié)果見表1．

表1 自由白車身彈性模態(tài)分析與優(yōu)化結(jié)果Tab. 1 Results of elastic modes optimization and analysis of free BIP

2 基于正交試驗(yàn)的板件定量分析

2.1 選擇設(shè)計變量

白車身模型共由 396塊不同厚度的高強(qiáng)度鋼板焊接而成，在進(jìn)行正交試驗(yàn)時，若使試驗(yàn)矩陣覆蓋全部板件，從計算資源考慮是不可能完成的，同時也沒有實(shí)際意義．白車身模型主要有縱梁、橫梁等梁結(jié)構(gòu)，以及頂棚、地板、側(cè)圍板、防火板、玻璃、輪罩等大塊板件構(gòu)成．其中，大塊板件往往是起到表面蒙皮、包裹內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，對性能的靈敏度通常較低．對白車身整體模態(tài)影響較大的主要是梁的剛度與板件接口的連接剛度，因此在選取板件厚度優(yōu)化因子中，重點(diǎn)關(guān)注大塊板件的厚度．在選取優(yōu)化因子的水平時，為節(jié)約計算資源，根據(jù)高強(qiáng)鋼板常用厚度以及對比其他車型板件厚度確定．結(jié)合板件靈敏度分析結(jié)果，選擇頂棚、防火板、后三角窗框、后輪罩、中通道蓋板、地板等 11塊板件，通常左右對稱件厚度相同，故將左右對稱的板件設(shè)為一組，11塊板件最終分為6組，將每組板件的厚度設(shè)為變量，選擇2個水平，具體見表2和圖3．

表2 正交試驗(yàn)因子與水平Tab. 2 Factor and level of orthogonal test

2.2 正交試驗(yàn)表

為充分考察交互作用，進(jìn)行 L64(26)的全因子試驗(yàn)分析，全因子正交試驗(yàn)表見表3．

表3 全因子正交試驗(yàn)表Tab. 3 Full factorial orthogonal test table

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

在白車身有限元模型中設(shè)置試驗(yàn)因子，采用試驗(yàn)設(shè)計軟件生成全因子正交試驗(yàn)表，調(diào)用求解器進(jìn)行試驗(yàn)分析，最終得到主效應(yīng)圖與流程圖．通過主效應(yīng)圖可以直觀地得到每組因子對白車身一階彎曲模態(tài)、一階前端橫擺模態(tài)、一階后扭模態(tài)的影響，根據(jù)流程圖可以得到不同水平下的白車身關(guān)注模態(tài)值，具體見圖4、圖 5．

正交試驗(yàn)過程結(jié)果顯示：頂棚 0.6,mm、防火板0.6,mm、后三角窗框0.6,mm、后輪罩0.8,mm、中通道蓋板 0.7,mm、地板 0.6,mm 時，白車身一階彎曲模態(tài)、一階前端橫擺模態(tài)、一階后扭模態(tài)仍滿足目標(biāo)要求．根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果更新白車身有限元模型，正交試驗(yàn)分析結(jié)果誤差在10%,以內(nèi)，具體見表4．

圖4 主效應(yīng)圖Fig. 4 Main effect diagram

圖5 正交試驗(yàn)流程Fig. 5 Diagram of orthogonal test process

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果對比Tab. 4 Comparison of orthogonal test results

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

對白車身進(jìn)行模仿自由邊界條件的模態(tài)試驗(yàn)，白車身采用空氣彈簧支撐，采用兩個激振器分別置于車身右前縱梁與左后縱梁位置，采用兩個激振器產(chǎn)生猝發(fā)隨機(jī)信號對白車身進(jìn)行激勵，見圖6．

圖6 白車身自由邊界條件模態(tài)試驗(yàn)示意圖Fig. 6 The modal experiment diagram of white body under free boundary condition

在白車身模態(tài)試驗(yàn)前確定白車身測試狀態(tài)：有前副車架、安裝玻璃、地板無阻尼；環(huán)境溫度 22,℃；相對濕度20%,．

試驗(yàn)用到的設(shè)備有 PCB 三向加速度傳感器、208C02型力傳感器、TV52110型電動激振器、TV52110型激振器功率放大器、SC316型 48通道數(shù)據(jù)采集2通道激勵系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采用模態(tài)試驗(yàn)分析軟件LMS Test.lab.11B進(jìn)行分析．傳感器分布見圖7．驗(yàn)證試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對比見表5．

圖7 白車身試驗(yàn)傳感器分布示意圖Fig. 7 Sketch map of sensors in white body test

白車身分析結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果對比表明：誤差控制在 6%,的范圍內(nèi)，證明有限模型分析結(jié)果較準(zhǔn)確，優(yōu)化方案實(shí)施效果較好．

表5 試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比Tab. 5 Comparison of experimental results with the finite element results

3 結(jié) 語

本文將全因子試驗(yàn)技術(shù)用于白車身板件厚度優(yōu)化，采用新的定量分析流程，前處理時將板件厚度設(shè)為變量，分析工程師針對工程問題提出可行方案，采用全因子試驗(yàn)確定具體結(jié)構(gòu)厚度，從而節(jié)省工程優(yōu)化耗時，提高了工作效率，在滿足低頻特性的前提下，成功減重 7.8,kg．最后，進(jìn)行白車身模態(tài)分析試驗(yàn)，CAE分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比表明，CAE分析結(jié)果可信度較高，滿足工程實(shí)際需要．

［1］ 傅旻，李琦，霍俊炎，等. 等效輻射聲功率在汽車 NVH開發(fā)中的應(yīng)用[J]. 天津科技大學(xué)學(xué)報，2017，32(5)：60-63，78.

［2］ 唐曉峰，姜欣，陳勇，等. 車輛優(yōu)化設(shè)計中的復(fù)雜正交試驗(yàn)設(shè)計[J]. 上海汽車，2013(11)：44-48，59.

［3］ 胡小舟，林建平， 龑陳 ，等. 基于模態(tài)應(yīng)變能及靈敏度分析白車身模態(tài)優(yōu)化[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2015，34(9)：1415-1418.

［4］ 錢平，包鍵，李建新. 白車身模態(tài)靈敏度分析及減重優(yōu)化[J]. 汽車科技，2016(1)：26-28.

［5］ 羅淼，尚善春. 車身輕量化與噪聲性能的平衡與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2017，55(1)：31-34.

［6］ 左文杰，陳繼順，李亦文，等. 剛度、強(qiáng)度與頻率約束下的白車身板厚尺寸優(yōu)化[J]. 汽車工程，2017，39(2)：145-149.

［7］ 許少楠，王香廷， 鴃顧 ，等. 某商用車白車身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2017(2)：178-181.