基于NVH性能的平臺(tái)車身優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

許冰　王國(guó)春

【摘 要】汽車NVH性能的高低是汽車舒適度的主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)之一。汽車NVH工作又由CAE分析與實(shí)驗(yàn)兩個(gè)部分組合，目前，國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)對(duì)汽車NVH性能的提升以后期CAE優(yōu)化為主，存在工作重復(fù)、效率低、成本高等不足。文章提出了一種新的NVH性能優(yōu)化方法：將車身平臺(tái)化，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法對(duì)平臺(tái)共用件進(jìn)行優(yōu)化，確定一部分合適各種車型的平臺(tái)共用件，在開發(fā)新車時(shí)調(diào)用此平臺(tái)，確保了一定的車身NVH性能。文章采用了該方法對(duì)某車身平臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化分析，新車型調(diào)用該平臺(tái)后，車身NVH性能的優(yōu)化的工作量大幅度減少。

【關(guān)鍵詞】車身NVH；車身平臺(tái)化；優(yōu)化分析

【中圖分類號(hào)】U463.82 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）09-0033-05

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展越發(fā)成熟，行業(yè)內(nèi)激烈的競(jìng)爭(zhēng)與人民生活水平提高后對(duì)生活品質(zhì)的追求，促使車企對(duì)汽車乘坐的舒適度越來(lái)越重視。因此，對(duì)車身NVH性能的要求越要越高。NVH即N-Nosie噪聲、V-Vibration振動(dòng)、H-Harshness聲振粗糙度，是一個(gè)評(píng)估汽車舒適度的標(biāo)準(zhǔn)。它不像其他汽車性能需要專業(yè)工程師用儀器做分析才能得到一個(gè)結(jié)果，它能直接反映給任何一位乘車人員。有研究表明，長(zhǎng)期處于噪音環(huán)境下會(huì)對(duì)我們的心理有很大的不良影響，甚至影響人的聽力。這里的噪音不僅指人類可聽到的噪聲，它還包含一些低頻噪聲。除此之外，還有一些人體無(wú)法明確感受到的低頻震動(dòng)，也會(huì)對(duì)車內(nèi)乘員造成不同的影響，如暈車、疲勞等。因此，車身NVH性能的優(yōu)化在今后的車身開發(fā)中會(huì)愈發(fā)重要。

由于具有國(guó)內(nèi)NVH技術(shù)還不成熟，在車身前期開發(fā)的時(shí)候不能把控NVH性能，只能在后期通過(guò)優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)提升車身固有的自然模態(tài)，防止聲固耦合模態(tài)與激勵(lì)頻率一致造成巨大噪聲。除此之外，還要對(duì)車身關(guān)鍵點(diǎn)的動(dòng)剛度優(yōu)化分析、TB模型的模態(tài)優(yōu)化分析等進(jìn)行提升。由于車身主體框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)鎖定，一些結(jié)構(gòu)已經(jīng)很難再修改替換，方案有效卻不一定能實(shí)施，所以對(duì)NVH性能的優(yōu)化提升，往往能達(dá)到事半功倍的效果。

為了提升工作效率，本文將NVH性能優(yōu)化分析與車身平臺(tái)化開發(fā)策略結(jié)合，建立車身同底盤平臺(tái)模型，以車身剛度模態(tài)為目標(biāo)函數(shù)，利用集成優(yōu)化軟件進(jìn)行研究計(jì)算，得到一個(gè)剛度模態(tài)性能最優(yōu)的車身底盤。在開發(fā)新車型時(shí)，直接調(diào)用該底盤數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)架車身，在前期開發(fā)就保證了車身的剛度模態(tài)性能，后期只需不斷優(yōu)化上車體的結(jié)構(gòu)，以此達(dá)到設(shè)定的車身NVH目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了縮短開發(fā)周期的目的，對(duì)汽車行業(yè)的發(fā)展有很大的意義。

1 平臺(tái)化車身開發(fā)理論

目前，國(guó)外汽車公司為達(dá)到低成本開發(fā)、快速生產(chǎn)、迅速占領(lǐng)市場(chǎng)的目的，都已經(jīng)使用平臺(tái)開發(fā)策略開發(fā)新的車型。例如，“大眾”汽車以發(fā)動(dòng)機(jī)的布置為核心，建立模塊化發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)，它將發(fā)動(dòng)機(jī)與油門踏板的距離及發(fā)動(dòng)機(jī)和前軸的距離進(jìn)行固定，只要調(diào)節(jié)車身其他尺寸就能得到一個(gè)新的車型。除此之外，還有“本田”的下車體模塊化平臺(tái)化開發(fā)策略、基于已有CAD模型策略等不同技術(shù)核心的平臺(tái)化開發(fā)策略。

雖然各個(gè)車企的平臺(tái)化設(shè)計(jì)核心不同，開發(fā)策略也不相同，但理論核心是不變的，都是將車身某一區(qū)域板件進(jìn)行鎖定作分析模塊對(duì)象，然后以某一項(xiàng)車身性能作為響應(yīng)，將不同的車型作為約束，最終以最優(yōu)性能為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析，得到一個(gè)在各種車型中該車身性能都能達(dá)到最佳的車身。本文就是基于這個(gè)理論進(jìn)行基于NVH性能的平臺(tái)車身優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

2 基于NVH性能的平臺(tái)車身優(yōu)化設(shè)計(jì)研究流程

本文建立了車身同底盤平臺(tái)模型，對(duì)從此平臺(tái)開發(fā)的不同車型進(jìn)行剛度模態(tài)數(shù)據(jù)分析，選取共用板件，并將這些板件進(jìn)行厚度與尺寸的優(yōu)化分析，從而得到具有最優(yōu)剛度模態(tài)性能的車身底盤。流程圖如圖1所示。

（1）選取使用同樣車身底盤模型的不同車身數(shù)模，如基于此車身底盤開發(fā)的SUV車型與MPV車型。它們底盤的大部分梁截面尺寸與板件厚度都是一致的，是這次研究的主要優(yōu)化點(diǎn)。

（2）以NVH性能的剛度模態(tài)為優(yōu)化上下限，先將選中的車型分別進(jìn)行靈敏度分析，確定性能貢獻(xiàn)量大的板件，目的是為了減少后期優(yōu)化計(jì)算的時(shí)間。

（3）考慮制造工藝與制造成本等因素，為板件設(shè)定合理的參數(shù)，并采用最優(yōu)拉丁方計(jì)算方法進(jìn)行重新排列組合，形成N組不同的參數(shù)組。

（4）利用集成優(yōu)化軟件將設(shè)定的參數(shù)輸入選定的模型進(jìn)行NVH剛度模態(tài)計(jì)算，為保證模態(tài)數(shù)值的準(zhǔn)確性，需采用模態(tài)追蹤法，讀取模態(tài)的頻率。

（5）結(jié)果對(duì)比，結(jié)合組合參數(shù)輸入的合理性，確定一組最優(yōu)參數(shù)解，將參數(shù)更新至選定的車身底盤，從而得到一個(gè)新的車身底盤平臺(tái)，在此平臺(tái)車身的基礎(chǔ)上開發(fā)新的車型，解決前期開發(fā)中NVH性能較差及后期優(yōu)化工作量大的問(wèn)題。

3 基于NVH性能的同底盤平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)化底盤模型的建立

依據(jù)平臺(tái)化車身建立的原理，本文對(duì)多款車型進(jìn)行平臺(tái)化模型建立，其總成的框架劃分如圖2所示。

本文主要是對(duì)前車架和后車架總成進(jìn)行研究。將已有車型的白車身有限元模型進(jìn)行對(duì)比，對(duì)車身部件進(jìn)行分類，結(jié)合平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)理念及分析經(jīng)驗(yàn)，選定下車體中的框架結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化對(duì)象，因?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)是整車車身的“骨架”，直接影響整車性能。對(duì)已有平臺(tái)的SUV及MPV的下車體進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)比，共用部分將作為同平臺(tái)車身的優(yōu)化部件，其中共用的框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 平臺(tái)化車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械工程領(lǐng)域中為了讓某一個(gè)性能達(dá)標(biāo)，工程師除了根據(jù)自身多年的經(jīng)驗(yàn)外，還會(huì)使用一些優(yōu)化方法對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效優(yōu)化，大致可分為拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化。

在此，我們采用尺寸優(yōu)化方法對(duì)上文所選定的對(duì)整車性能影響較大的下車身框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，主要為橫梁、縱梁，進(jìn)行HyperMorph結(jié)構(gòu)變形設(shè)計(jì)（如圖4所示。）

確定了截面尺寸優(yōu)化的部件后，為了方便數(shù)據(jù)的輸入，以及方便敘述，將共用部件分別命名為Beam1、Beam2、Beam3、L_Beam1、R_Beam2。X、Y、Z 3個(gè)不同方向的變形及變形的范圍也要區(qū)分設(shè)定（見表1）。

為了讓模型的優(yōu)化更全面，本文不僅設(shè)計(jì)橫梁與縱梁的截面大小優(yōu)化，還對(duì)板件的厚度進(jìn)行優(yōu)化，將共用的部件分別按不同的厚度進(jìn)行一定排序命名，即A_T70、B_T70、A_T100等。改變板件厚度的設(shè)計(jì)如圖5所示。

選定了厚度優(yōu)化的部件之后，為了保證優(yōu)化后的零件能正常制造，還要結(jié)合制造工藝的規(guī)范要求對(duì)厚度變化的尺寸進(jìn)行一定的限制。尺寸優(yōu)化變化表見表2。

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)已有車型的下車體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，選定對(duì)性能影響較大的車身框架結(jié)構(gòu)，確定優(yōu)化部件。對(duì)部件結(jié)構(gòu)的截面尺寸和厚度進(jìn)行優(yōu)化，提升平臺(tái)化車身的NVH性能。

3.3 平臺(tái)化車身NVH性能設(shè)計(jì)

本文為了使研究設(shè)計(jì)的成果能清楚地展示，只展示了白車彎曲與扭轉(zhuǎn)剛度模態(tài)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）扭轉(zhuǎn)剛度，即整車抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，是扭轉(zhuǎn)力矩與角度變形的比值，衡量的是駕駛員對(duì)車的跟隨感。扭轉(zhuǎn)剛度越大，車身的扭轉(zhuǎn)角度就越小，跟隨感就越好，反之則駕駛感越差。從而，通過(guò)對(duì)車身扭轉(zhuǎn)剛度的優(yōu)化，提升白車身的NVH性能。模型的分析加載如圖6所示。

約束前防撞梁中心自由度3；約束后懸左側(cè)自由度13；約束后懸右側(cè)自由度123；在前懸左右分別施加一個(gè)Z向向上、向下的力，大小為F，白車身扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式如下：

Ktor=T/θ（1）

公式（1）中，T為前懸中心所加載的扭矩；θ為扭轉(zhuǎn)工況下白車身的扭轉(zhuǎn)角度。

T=F×L（2）

公式（2）中，F(xiàn)為前懸點(diǎn)所加載的沿z向力；L為載荷加載點(diǎn)之間的距離，即前懸中心點(diǎn)之間的距離。

而在仿真計(jì)算的過(guò)程中，需要消除白車身整體加載后自身的扭轉(zhuǎn)誤差，運(yùn)用對(duì)應(yīng)前懸與后懸梁測(cè)點(diǎn)的位移，可以計(jì)算出白車身仿真的扭轉(zhuǎn)角度，其計(jì)算公式如下：

θ=（arctan|zfl-zfr|/Lf-arctan|zrl-zrr|/Lr）×180/π（3）

其中，zfl、zrl、zfr、zrr分別為左右前后懸對(duì)應(yīng)梁測(cè)點(diǎn)的z向位移，Lf、Lr分別為前后懸對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)距離。

（2）彎曲剛度。整車在使用過(guò)程中，需要承載來(lái)自乘員及貨物等所產(chǎn)生的垂直方向上的力，為了有效地控制彎曲變形，彎曲剛度需要滿足一定的指標(biāo)，模型的分析加載如圖7所示。

約束左右側(cè)前懸自由度123，左右側(cè)后懸約束自由度3，在每個(gè)座椅的乘坐人員的重心點(diǎn)施加載荷F，沿Z向向下，白車身彎曲剛度計(jì)算公式如下：

Kbdnd=F∑/δmax（4）

公式（4）中，F(xiàn)∑為加載載荷沿Z向的合力，δmax為施加力之后所得的白車身梁沿Z向最大位移，需要通過(guò)如下公式得到：

δmax=（δ1max+δrmax）/2-（δfl+δfr+δrl δrr）/4（5）

公式（5）中，δ1max、δrmax分別為左右對(duì)應(yīng)梁最大位，δfl、δfr分別為前懸對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)在載荷力作用下的位移量，δrl、δrr分別為后懸對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)在載荷力作用下的位移量。

（3）模態(tài)分析，主要求自然頻率和振型。自然頻率：結(jié)構(gòu)在受到擾動(dòng)后，趨向于以自然頻率振動(dòng)。振型：在某個(gè)自然頻率下，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)，其分析理論如下：

[M]{■}+[M]{x}={0}（6）

假設(shè)公式（6）中：

{x}={A}sin（ωt+φ）（7）

將公式（7）代入公式（6）得：

（[K]-ω2[M]）{A}={0}（8）

應(yīng)有非零解，因此得：

det（[K]-ω2[M]）=0（9）

展開，得：

λn+a1λn-1+a2λn-2+…+an=0

λ=ω2（10）

從上式可以求出n個(gè)實(shí)根λ，對(duì)應(yīng)求得系統(tǒng)有n個(gè)固有頻率ω，將代入公式（8）中可解得{A}。

3.4 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型集成設(shè)計(jì)

根據(jù)前文的設(shè)計(jì)，要使研究成果具有有效性，我們必須保證對(duì)SUV與MPV進(jìn)行相同的優(yōu)化變形。加載相應(yīng)的剛度模態(tài)工況進(jìn)行計(jì)算分析，分別輸出優(yōu)化車身的結(jié)果，并且輸出性能結(jié)果，從而完成所有試驗(yàn)樣本的性能計(jì)算。對(duì)比樣板模型的性能，選擇最優(yōu)的結(jié)果，將對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)用于之前選定的底盤件進(jìn)行優(yōu)化變形，優(yōu)化變形后的底盤平臺(tái)用于開發(fā)新的車型，達(dá)到了本文研究的預(yù)期目的。車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型集成流程如圖8所示。

基于研究設(shè)計(jì)的需要，本文選用Isight軟件對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中所需要的各個(gè)軟件進(jìn)行相關(guān)的集成（如圖9所示）。

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段利用Isight集成軟件的最優(yōu)化功能對(duì)前期設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)拉丁方排序組合，使其樣本分布更加均勻，從而使擬合更加精確真實(shí)地反映因子與響應(yīng)之間的關(guān)系。圖10為各種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法樣本點(diǎn)選取圖，最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)使樣本點(diǎn)分布更加均勻。

將前期設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)拉丁方取樣（見表3與表4）。

在最后的結(jié)果提取中直接輸入剛度計(jì)算的公式，將扭轉(zhuǎn)、彎曲的剛度計(jì)算出來(lái)，但是模態(tài)的輸出可能存在跳階，讀取的模態(tài)振形與設(shè)定的模態(tài)振形不一致，導(dǎo)致結(jié)果誤差大。為防止這種情況的發(fā)生，在計(jì)算過(guò)程中還得設(shè)定模態(tài)追蹤識(shí)別，其理論具體如下。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后第i階模態(tài)的MAC表達(dá)式：

■

■（11）

其中：BASE[j]為基礎(chǔ)模態(tài)的第j個(gè)特征點(diǎn)的位移；RESULT[i，j]為所需識(shí)別第i階模態(tài)第j個(gè)特征點(diǎn)的位移。

對(duì)于不同的模態(tài)振型，MAC值有如下特點(diǎn)：

MAC[i]==1 與基礎(chǔ)振型一致≈1 與基礎(chǔ)振型微小差別≠1 與基礎(chǔ)振型明顯變化（12）

通過(guò)跟蹤每次結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后各階模態(tài)的MAC值進(jìn)行相應(yīng)的跟蹤，選取其中MAC接近于1的模態(tài)，以保證識(shí)別出的模態(tài)振型與基礎(chǔ)模態(tài)振型一致。

3.5 研究成果

經(jīng)過(guò)前文的設(shè)計(jì)與計(jì)算，得到相關(guān)樣板的計(jì)算結(jié)果，將結(jié)果進(jìn)行后續(xù)對(duì)比處理，得到如圖11與圖12的曲線圖。

由結(jié)果曲線圖得知，梁截面變化樣本集的第七組數(shù)值和厚度樣本集的第四組數(shù)值是最優(yōu)解，從圖11與圖12中提取相應(yīng)的參數(shù)，對(duì)本文選定的車身底盤平臺(tái)按此參數(shù)對(duì)應(yīng)的部件進(jìn)行優(yōu)化變形，變形后的車身底盤平臺(tái)即本文基于NVH性能的平臺(tái)車身優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的最終成果，后期在該平臺(tái)上開發(fā)SUV或者M(jìn)PV車型，只需要優(yōu)化上車身就能快速地達(dá)到前期設(shè)定的剛度模態(tài)目標(biāo)值，保證了整車NVH性能，縮短了開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本。

4 結(jié)論

（1）本文將NVH性能優(yōu)化分析與車身平臺(tái)化開發(fā)策略相結(jié)合，建立車身同底盤平臺(tái)模型，以車身剛度模態(tài)為目標(biāo)函數(shù)，提出了一種新的NVH性能優(yōu)化方法，在前期對(duì)車身平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化，后期開發(fā)在優(yōu)化過(guò)的白車身平臺(tái)件上進(jìn)行，縮減了后期開發(fā)的成本與開發(fā)周期。

（2）建立平臺(tái)化底盤模型：根據(jù)車身平臺(tái)化建設(shè)原理，將NVH性能靈敏分析數(shù)據(jù)與分析經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，確定對(duì)NVH性能貢獻(xiàn)較大的零部件，并考慮制造工藝與裝配工藝，最終確定優(yōu)化的參數(shù)范圍。

（3）建立了車身集成優(yōu)化模型：采用Isight軟件將變形軟件與分析軟件、結(jié)果處理軟件相結(jié)合，對(duì)SUV白車身與MPV白車身中的共用零部件進(jìn)行優(yōu)化分析，不同的樣本產(chǎn)生不同的分析結(jié)果，選擇最優(yōu)的結(jié)果的樣本值對(duì)平臺(tái)化底盤進(jìn)行優(yōu)化變形，達(dá)到了本文基于NVH性能的平臺(tái)化車身優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的目標(biāo)。

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]