某純電動SUV復(fù)合材料后背門模態(tài)分析與優(yōu)化

陳磊 董華東

摘要：以某純電動SUV汽車的后背門為研究對象，利用有限元優(yōu)化設(shè)計理論，提出一種復(fù)合材料后背門模態(tài)仿真分析方法，在Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和仿真模型搭建，采用MSC.Nastran軟件進(jìn)行求解計算，利用Hyperview軟件查看結(jié)果云圖。通過分析其Trimmed模態(tài)，提出三種優(yōu)化方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證質(zhì)量不增加的前提下，使后背門第一階彎曲模態(tài)提升至25.3Hz，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，為后期純電動汽車后背門優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。

Abstract： Taking the tailgate of a pure electric SUV as the research object， using the FEM optimization design theory， a modal simulation analysis method of composite tailgate is proposed. HyperMesh software is used to mesh and build the model MSC.Nastran Software to calculate， based on the Hyperview software to get the results of the cloud. Based on the analysis of trimmed mode， a variety of optimization schemes are proposed to optimize the structure. Under the premise of ensuring the weight does not increase， the first bending mode of tailgate is raised to 25.3Hz， achieving the expected goal， which provides guidance for the optimization design of pure electric tailgate in the later stage.

關(guān)鍵詞：純電動汽車;后背門;有限元;Trimmed模態(tài);輕量化

Key words： electric vehicle;tailgate;finite element;trimmed mode;lightweight

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0008-02

0? 引言

純電動汽車是目前及未來汽車行業(yè)的主要發(fā)展方向，輕量化是純電動汽車發(fā)展的必然選擇。其中，關(guān)于后背門的設(shè)計是純電動汽車輕量化研究的重要內(nèi)容。高云凱[1]為提高車門剛度并考慮輕量化的要求，提出以拼焊板車門下沉剛度和質(zhì)量的多目標(biāo)優(yōu)化，利用NSGA-II遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)，最終得到滿足目標(biāo)的輕量化車門。段端祥[2]以某款純電動汽車的電池箱體為研究對象，采用T300/5224復(fù)合材料進(jìn)行多方向尺寸優(yōu)化，優(yōu)化后使各項性能出現(xiàn)提高，同時重量也大大減輕。目前，國內(nèi)外后背門有限元仿真分析模型主要是以傳統(tǒng)金屬后背門為研究對象，尚沒有詳細(xì)的純電動車復(fù)合材料后背門的建模方法。因此，本文以某純電動SUV汽車復(fù)合材料后背門為研究對象，利用有限元軟件對其進(jìn)行Trimmed模態(tài)仿真分析。通過對優(yōu)化方案進(jìn)行仿真計算，最終得到了滿足目標(biāo)要求的設(shè)計方案，且優(yōu)化后的設(shè)計方案相對于原設(shè)計方案，質(zhì)量并沒有增加。

1? 后背門有限元仿真分析

1.1 后背門有限元建模

所研究的后背門是某純電動SUV汽車全新開發(fā)零件，外板材料為改性聚丙烯PP+EPDM-T30，內(nèi)板材料為長玻纖增強聚丙烯PP-LGF40，其總成件外觀尺寸為805mm ×1323mm×105mm。此后背門包含鉸鏈、內(nèi)板、外板、風(fēng)擋玻璃、鈑金加強板、緩沖墊、密封膠條、鎖體、尾燈、雨刮電機等附件。筆者在前處理軟件HyperMesh中建立后背門有限元模型，設(shè)置完成的約束模態(tài)分析工況導(dǎo)入Nastran求解器進(jìn)行求解。

鉸鏈、內(nèi)板、外板、風(fēng)擋玻璃和鈑金加強板均為薄壁件，其長度和寬度方向尺寸遠(yuǎn)大于厚度方向尺寸，采用殼單元CQUAD4進(jìn)行離散化，網(wǎng)格單元大小設(shè)為3×3mm;當(dāng)后背門處于關(guān)閉狀態(tài)下，緩沖墊和密封膠條對后背門均具有支撐作用，可通過建立局部坐標(biāo)系，選擇彈簧-阻尼單元CBUSH進(jìn)行模擬;鎖體、尾燈、雨刮電機等附件，不考慮其幾何特征，但需要考慮其質(zhì)量對后背門模態(tài)的影響，故選擇集中質(zhì)量單元CONM2代替。

內(nèi)板和外板、風(fēng)擋玻璃之間的膠粘連接用Adhesives單元模擬;鈑金加強板與內(nèi)板之間的螺栓連接用RBE2單元模擬;集中質(zhì)量單元與安裝點之間的連接用RBE3單元模擬。

最終建立的后背門有限元模型單元總數(shù)為147172，節(jié)點總數(shù)為143325，網(wǎng)格質(zhì)量檢查均滿足設(shè)定的目標(biāo)值，符合建模規(guī)范，模型質(zhì)量為25.2Kg。

本文主要研究此后背門的模態(tài)特性，完全約束車身側(cè)鉸鏈、緩沖墊和密封膠條;鎖鉤處需要建立局部坐標(biāo)系;建立后背門Trimmed模型，如圖1所示。

1.2 后背門Trimmed模態(tài)分析

純電動汽車由于沒有發(fā)動機噪聲的掩蔽，行駛過程中產(chǎn)生的噪聲對駕駛舒適性影響很大。車身振動會使后背門密封不嚴(yán)，出現(xiàn)局部變形等現(xiàn)象，影響整車的NVH性能，所以必須對后背門進(jìn)行振動特性分析。后背門模態(tài)性能與整車NVH性能密切相關(guān)，因此，對后背門進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須滿足設(shè)定的目標(biāo)值。根據(jù)模態(tài)理論[3]

式中，K為剛度矩陣;為第i階模態(tài)的陣型向量;為第i階模態(tài)的固有頻率;M為質(zhì)量矩陣。

在實際工程開發(fā)過程中，重點關(guān)注前幾階低階模態(tài)，主要由于低階模態(tài)剛度相對較小，在同樣的激勵作用下，響應(yīng)所占的比重較大，振型更易被外界激勵激起，引起共振。基于以上理論，分析得出后背門一階彎曲模態(tài)為23.2Hz，小于設(shè)計目標(biāo)25Hz，仿真結(jié)果如圖2所示。

2? 后背門優(yōu)化設(shè)計及仿真分析

2.1 后背門優(yōu)化方案

通過后背門Trimmed模態(tài)分析結(jié)果可知，第1階彎曲頻率為23.2Hz，低于目標(biāo)值25Hz，振型為后背門整體呈彎曲狀態(tài)。根據(jù)模態(tài)振型，判斷其薄弱位置出現(xiàn)在后背門中間部位，因此優(yōu)化方向為通過提高后背門中間部位剛度以提高其第一階彎曲模態(tài)，且需要保證后背門總質(zhì)量不能增加。主要采取的優(yōu)化方案如表1所示。（圖3-圖5）

2.2 優(yōu)化方案仿真對比分析

針對上述提出的方案進(jìn)行仿真分析，由于整車質(zhì)量目標(biāo)的限制，后背優(yōu)化方案質(zhì)量需要盡可能低于原設(shè)計方案質(zhì)量。三種優(yōu)化方案前3階模態(tài)頻率如表2所示，優(yōu)化方案對應(yīng)的振型如圖6-圖8所示。通過對比分析可知，優(yōu)化方案3在質(zhì)量未增加的前提下，后背門第一階彎曲模態(tài)由23.2Hz提升至25.3Hz，滿足設(shè)計目標(biāo)。

3? 結(jié)論

本文建立了純電動SUV復(fù)合材料的有限元模型，以后背門Trimmed模態(tài)為優(yōu)化目標(biāo)，提出了三種優(yōu)化方案，其中優(yōu)化方案3在質(zhì)量未增加的前提下，后背門第一階彎曲模態(tài)由23.3Hz提升至25.3Hz，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。優(yōu)化方案3在量產(chǎn)車上得到體現(xiàn)，在實車驗證中，并沒有出現(xiàn)異響等NVH問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]高云凱，申振宇，馮兆玄，李應(yīng)軍.多目標(biāo)優(yōu)化在車門輕量化設(shè)計中的應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，45（02）：275-280，308.

[2]段端祥，趙曉昱.純電動汽車碳纖維復(fù)合材料電池箱體的鋪層設(shè)計研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2018（06）：83-88.

[3]鄧本波.汽車振動乘坐舒適性的評價方法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005.