白車身結(jié)構(gòu)NVH優(yōu)化技術(shù)分析

賴水長 劉星

摘 要：汽車系統(tǒng)具有較高的復(fù)雜性，它的NHV性能通常被分解成多個(gè)系統(tǒng)來研究，其中車身系統(tǒng)是汽車NHV性能的響應(yīng)器，在性能研究者占據(jù)重要地位。在車型升級過程中，隨著設(shè)計(jì)方案的改變，車身NHV性能優(yōu)化難度增加。從小部件著手提高整車NHV性能具有重要意義，這也是文章研究的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：白車;車身結(jié)構(gòu);NVH優(yōu)化技術(shù)

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步和發(fā)展，汽車的使用已經(jīng)具有極強(qiáng)的普遍性，消費(fèi)者著重于汽車的外形美觀性和設(shè)計(jì)性能的優(yōu)化，但是在環(huán)境污染等能源危機(jī)的影響下，對于汽車的使用設(shè)計(jì)中，只有開展節(jié)能環(huán)保類型的設(shè)計(jì)方式才可以讓汽車行業(yè)呈現(xiàn)出可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)，但是如何設(shè)計(jì)出優(yōu)化型汽車是汽車設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問題，同時(shí)一個(gè)國家的設(shè)計(jì)水平可以直接呈現(xiàn)出這個(gè)國家的科技水平進(jìn)步方式，所以在汽車設(shè)計(jì)的源頭開始探索出特有的汽車結(jié)構(gòu)，將汽車變?yōu)樾履芰康钠嚱Y(jié)構(gòu)并優(yōu)化汽車的車身結(jié)構(gòu)。在目前我國汽車行業(yè)的制造水平較其他發(fā)達(dá)國家還存在一定的差距，而汽車的車身又是汽車的重要組成部分，它的好壞直接影響著汽車的使用，所以為了促進(jìn)行業(yè)的不斷進(jìn)步，通過對汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)提升汽車的使用性能是尤為重要的。

1 白車身NHV優(yōu)化零部件的確定

1.1 有限元建模

文章針對商用白車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，選擇殼單元構(gòu)建有限元模型，利用剛性單元模擬各個(gè)焊點(diǎn)，建立的白車身模型包括大量單元，四邊形單元占總數(shù)的96%。

1.2 模型分析及模型修正

進(jìn)行白車身模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，利用彈性繩使白車身保持在自由狀態(tài)，保證車身水平。采用單點(diǎn)激勵、多點(diǎn)拾取的試驗(yàn)方式，選擇147個(gè)測試點(diǎn)，在每個(gè)測點(diǎn)周圍設(shè)置三臺傳感器。在車架懸架位置選擇恰當(dāng)?shù)臏y試點(diǎn)，并進(jìn)行隨機(jī)的信號激勵。將測試點(diǎn)坐標(biāo)輸入軟件，進(jìn)行白車身建模，并計(jì)算傳遞函數(shù)，確定白車身的振型和固有頻率。通常來說，試驗(yàn)分析和仿真試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差，這是因?yàn)槟M焊點(diǎn)的連接剛度和實(shí)際有所差別。利用軟件進(jìn)行建模時(shí)，應(yīng)選擇多個(gè)類型的模擬焊點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際情況，此次選擇RBE2單元模擬焊點(diǎn)。由于這一單元建立在連接板節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)連線與連接板不垂直，因此要進(jìn)行單元調(diào)整，確保兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的連線與連接板垂直，通過修正增強(qiáng)白車身剛度。

1.3 白車身NHV薄弱部分及優(yōu)化部件選擇

從模態(tài)分析結(jié)果看，為了增加整個(gè)白車身的動態(tài)特性，應(yīng)以車頂棚、后側(cè)圍作為重點(diǎn)改進(jìn)區(qū)域，具體改進(jìn)方法要結(jié)合具體部位確定。通常會實(shí)行改變結(jié)構(gòu)剛度、隔振、增加阻尼、添加筋板等措施，降低部件振動幅度和車內(nèi)噪聲，提高車身的NHV性能。在車身結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整方面，可選擇拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化等方式，其中車頂棚是車身模態(tài)變化明顯的部位，會產(chǎn)生較大噪聲。文章主要以車頂棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化為例，討論調(diào)高整車NHV性能的措施。

2 汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對整個(gè)汽車的影響

在汽車行業(yè)的發(fā)展中，汽車已經(jīng)逐漸成為人們生活中必不可少的一件物品，隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們對汽車使用方面的要求也越來越高，既要確保外觀的美觀性又要確保使用中的性能和安全性，汽車行業(yè)在滿足人們要求的基礎(chǔ)上逐漸增加了汽車使用中的舒適性、安全性和輕量化的效果，而對汽車的輕量化設(shè)計(jì)是最為重要的，它可以在保證汽車環(huán)保的基礎(chǔ)上減低耗油量的使用，同時(shí)在確保汽車性能的有效性基礎(chǔ)上用大量的輕質(zhì)新型材料將汽車車身設(shè)計(jì)地更加輕便從而可以有利于駕駛者更好的操控汽車，如果有意外發(fā)生的時(shí)候輕量化車身也保證了汽車的安全性和穩(wěn)定性。

3 優(yōu)化措施

文章使用的軟件是在有限元基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)軟件，能提供形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化等優(yōu)化方法。文章針對車頂棚部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于增強(qiáng)其剛度，通過在車頂棚找準(zhǔn)最佳的加強(qiáng)筋分布格局和數(shù)量，達(dá)到形貌最優(yōu)化的目的。從這一角度看，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，應(yīng)選擇形態(tài)優(yōu)化方式。通過計(jì)算數(shù)學(xué)模型，可得到具體的優(yōu)化方案。優(yōu)化設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)三要素，通過形貌優(yōu)化，將去除加強(qiáng)筋的模型作為優(yōu)化模型，在明確優(yōu)化區(qū)域后，設(shè)定相應(yīng)的約束條件、目標(biāo)函數(shù)和加強(qiáng)筋參數(shù)。這里的約束條件是指約束車頂棚四邊的自由度，并將加強(qiáng)筋的起筋角、起筋寬度、起筋寬度、加強(qiáng)筋截面形狀等參數(shù)導(dǎo)入軟件，可在軟件系統(tǒng)中完成優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。以車頂棚固有頻率為目標(biāo)函數(shù)，在多次迭代后得到變形圖。

從變形圖可看出，在車頂棚長度方向設(shè)置三條加強(qiáng)筋，經(jīng)過處理后，將優(yōu)化后的變形云圖轉(zhuǎn)換成IGES格式，可得到不規(guī)則的曲面，這時(shí)要結(jié)合生產(chǎn)手段進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的車頂棚結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：加強(qiáng)筋的強(qiáng)度為2200mm，起筋寬度為30mm，起筋高度為3.5mm，起筋角度為45°，相鄰兩條加強(qiáng)筋間的寬度為70mm。

對優(yōu)化調(diào)整后的車頂棚模型進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)固有頻率相較于原來的有所提高，鋼度有明顯提高。另外，為了比較分析加強(qiáng)筋部件優(yōu)化前后的車頂抗凹性能，此次在車頂棚模型、優(yōu)化后模型以及去加強(qiáng)筋模型上選擇20個(gè)測試點(diǎn)，在其上施加250N的集中載荷，并約束車頂棚的全部自由度，可得到上述三個(gè)模型變形情況。

結(jié)果表明，加強(qiáng)筋優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)變形量相較于原有結(jié)構(gòu)有所減小，說明經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，車頂棚抗凹性能明顯提高。將優(yōu)化的車頂棚結(jié)構(gòu)安裝在白車身模型中，進(jìn)行模態(tài)分析后，可發(fā)現(xiàn)白車身各階頻率明顯提高。這一試驗(yàn)結(jié)果和之前的模態(tài)分析一致，模態(tài)分別是車頂棚振動幅度較大的狀態(tài)、對應(yīng)車頂棚前三階狀態(tài)。在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可采用上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，從車頂棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化著手，提升整個(gè)車身NHV性能，確保其滿足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)束語

在汽車升級改進(jìn)過程中，提高其NHV性能是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。文章采取模態(tài)分析等手段，可將整車性能優(yōu)化目標(biāo)落實(shí)到各個(gè)部件結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)上。在確定薄弱部件后，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化對策，制定全方位的優(yōu)化方案。實(shí)踐表明，優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)NHV性能明顯提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉丹，劉俊紅.基于白車身靜剛度的結(jié)構(gòu)膠拓?fù)鋬?yōu)化分析[J].汽車工程師，2019（09）：26-27.

[2]許冰，王國春.基于NVH性能的平臺車身優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2018（09）：33-37.

[3]張東升.某轎車白車身扭轉(zhuǎn)剛度的分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].中國汽車工程學(xué)會，2019（02）：188-192.

[4]余歡樂，趙國旗.基于NVH的白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析與研究[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2019（12）：78-79.