某新能源汽車前艙裝飾罩模態(tài)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

高發(fā)華 賀鑫 汪躍中 董華東 王海峰

摘 要：在某款新能源汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，為滿足NVH要求，降低前艙裝飾罩與電驅(qū)動(dòng)總成共振風(fēng)險(xiǎn)，文章通過利用CAE軟件建立前艙裝飾罩有限元模型，并進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)CAE分析結(jié)果提出優(yōu)化方案，再對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行模態(tài)分析，最終保證優(yōu)化后的前艙裝飾罩實(shí)現(xiàn)隔聲降噪的目標(biāo)，滿足性能要求，為前艙裝飾罩的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：前艙裝飾罩;模態(tài)分析;優(yōu)化設(shè)計(jì);CAE

中圖分類號(hào)：U463.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）17-01-04

Modal Analysis and Optimum Design of a New Energy Vehicle

Front Decoration Cover

Gao Fahua， He Xin， Wang Yuezhong， Dong Huadong， Wang Haifeng

（Chery New Energy Automotive Research Institute， Anhui Wuhu 241000）

Abstract： In the design and development process of a new energy vehicle， in order to meet the requirements of NVH and reduce the resonance risk between the front cabin decorative cover and the electric drive assembly， the finite element model of the front cabin decorative cover is established by using CAE software， and the modal analysis is carried out. Based on the results of CAE analysis， the optimization scheme is put forward， and then the modal analysis is carried out to ensure that the optimized front cabin decorative cover achieves sound insulation and noise reduction. The objective is to meet the performance requirements and provide an important basis for improving and optimizing the design of the front cabin decoration hood.

Keywords： Front decoration cover; Modal analysis; Optimum design; CAE

CLC NO.： U463.2? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-01-04

前言

前艙裝飾罩位于新能源汽車前艙上方，起到美觀大方、隔聲降噪的作用[1]。為滿足NVH要求，避免與電驅(qū)動(dòng)總成發(fā)生共振，需要對(duì)前艙裝飾罩進(jìn)行模態(tài)分析[2]。

本文利用Hypermesh前處理軟件建立某款新能源汽車的前艙裝飾罩有限元模型，轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入Nastran軟件進(jìn)行模態(tài)分析，再根據(jù)HyperView軟件考察是否滿足設(shè)計(jì)需求，針對(duì)CAE分析結(jié)果提出三種優(yōu)化方案，最終確定能有效降低與前艙裝飾罩電驅(qū)動(dòng)總成產(chǎn)生共振風(fēng)險(xiǎn)的最佳方案，滿足性能要求，為前艙裝飾罩的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

1 CAE分析

1.1 CAE分析簡(jiǎn)介

CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）的優(yōu)勢(shì)在于可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，通過建立基本的計(jì)算機(jī)分析模型，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模態(tài)、剛度、強(qiáng)度、疲勞等分析，從而縮短設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本[3]。

1.2 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，具有特定的固有頻率和振型，與外部激勵(lì)條件無關(guān)[4]。而模態(tài)分析作為CAE分析的重要組成部分，亦是考量產(chǎn)品綜合性能的重要指標(biāo)[5]。模態(tài)頻率響應(yīng)分析是將n階自由度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程坐標(biāo)變換一次后，用振型坐標(biāo)代替原來的有限元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)[6]。將研究對(duì)象簡(jiǎn)化為具有質(zhì)量、彈性和阻尼的有限元單元彈性系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)方程為[7]：

（1）

其中，[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣， 分別為系統(tǒng)的加速度向量、速度向量和位移向量，{R（t）}為激振力向量。

由于模態(tài)分析是在無外載荷和無阻尼的情況下求解，因此只需求解自由振動(dòng)方程[8]，即{R（t）}=0。此時(shí)得到系統(tǒng)的無阻尼自由振動(dòng)微分方程：

（2）

當(dāng)系統(tǒng)自由振動(dòng)時(shí)，可以分解為一系列簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加，結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方程可以表述為[9]：

（3）

其中，U為各節(jié)點(diǎn)振幅，ω為該振型所對(duì)應(yīng)的固有頻率， ?為相位角。將（3）代入（2）中，可得：

（4）

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生自由振動(dòng)時(shí)，一定有位移節(jié)點(diǎn)，式（4）必然有非零解，即：

（5）

系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣[M]、剛度矩陣[K]是由系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)質(zhì)量等固有屬性決定的。假設(shè)系統(tǒng)有n個(gè)自由度，則式（5）為關(guān)于ω2的n次代數(shù)方程，通過設(shè)定響應(yīng)頻率，可以求解出n個(gè)特征值及特征向量，即對(duì)應(yīng)研究對(duì)象的固有頻率值和振型。

2 前艙裝飾罩模型建立

2.1 建立CAE模型

根據(jù)設(shè)計(jì)部門提供的圖1所示的前艙裝飾罩實(shí)體模型，在Hypermesh前處理軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[10]，采用四邊形殼單元為主，三角形網(wǎng)格過度的單元形態(tài);網(wǎng)格基本尺寸為3mm。共119313個(gè)單元，如圖2所示。

其中，前艙裝飾罩的材料特性參數(shù)如表1所示。

2.2 分析工況

模態(tài)分析包括自由模態(tài)和約束模態(tài)，根據(jù)實(shí)際需求，本文采用約束模態(tài)的加載工況，計(jì)算前10階模態(tài)，約束前艙裝飾罩各個(gè)支架車身安裝孔全部自由度123456，分析工況如圖3所示。

3 仿真計(jì)算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 Nastran簡(jiǎn)介

MSC.Nastran由美國MSC公司開發(fā)，因其具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出格式，支持全范圍的材料模式、載荷和邊界條件，求解精度和運(yùn)算效率高、可靠性強(qiáng)，分析范圍廣等優(yōu)點(diǎn)為廣大企業(yè)所青睞[11]。

3.2 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

將前艙裝飾罩的網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化為bdf文件，然后導(dǎo)入Nastran中進(jìn)行模態(tài)分析，最后將計(jì)算生成的op2文件導(dǎo)入HyperView中進(jìn)行后處理工作，得到前艙裝飾罩一階模態(tài)下的位移、應(yīng)變能如圖4、圖5所示：

根據(jù)圖4、圖5可知，前艙裝飾罩的一階模態(tài)頻率為17.67Hz，不滿足目標(biāo)值一階模態(tài)頻率≥23Hz的要求，可能會(huì)與電驅(qū)動(dòng)總成產(chǎn)生共振，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在和設(shè)計(jì)部門交流討論后，針對(duì)前艙裝飾罩模態(tài)不符合要求，提出三種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

（1）方案1：局部優(yōu)化

在保證造型美觀的同時(shí)，對(duì)圖2所示的前艙裝飾罩上表面進(jìn)行局部優(yōu)化，在Hypermesh前處理軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立方案1的前艙裝飾罩網(wǎng)格模型，其中以四邊形殼單元為主，三角形網(wǎng)格過度的單元形態(tài);網(wǎng)格基本尺寸為3mm。共127450個(gè)單元，如圖6所示。

將圖6所示的方案1前艙裝飾罩網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化為bdf文件，然后導(dǎo)入Nastran中進(jìn)行模態(tài)分析，最后將計(jì)算生成的op2文件導(dǎo)入HyperView中進(jìn)行后處理工作，得到分析結(jié)果如圖7、8所示：

根據(jù)圖7可知，方案1前艙裝飾罩的一階模態(tài)頻率為18.93Hz，不滿足目標(biāo)值一階模態(tài)頻率≥23Hz的要求，可能會(huì)與電驅(qū)動(dòng)總成產(chǎn)生共振;而根據(jù)圖8應(yīng)變能云圖可知，方案1前艙裝飾罩與車身連接的安裝孔處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

（2）方案2：增加兩排加強(qiáng)筋

在圖6所示的方案1前艙裝飾罩網(wǎng)格模型基礎(chǔ)上，增加兩排加強(qiáng)筋，在Hypermesh前處理軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立方案2的前艙裝飾罩網(wǎng)格模型，其中以四邊形殼單元為主，三角形網(wǎng)格過度的單元形態(tài);網(wǎng)格基本尺寸為3mm。共127669個(gè)單元，如圖9所示。

將圖9所示的方案2前艙裝飾罩網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化為bdf文件，然后導(dǎo)入Nastran中進(jìn)行模態(tài)分析，最后將計(jì)算生成的op2文件導(dǎo)入HyperView中進(jìn)行后處理工作，得到分析結(jié)果如圖10、11所示：

根據(jù)圖10、圖11可知，方案2前艙裝飾罩的一階模態(tài)頻率為19.22Hz，不滿足目標(biāo)值一階模態(tài)頻率≥23Hz的要求，可能會(huì)與電驅(qū)動(dòng)總成產(chǎn)生共振，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

（3）方案3：增加四排加強(qiáng)筋

在圖6所示的方案1前艙裝飾罩網(wǎng)格模型基礎(chǔ)上，增加四排加強(qiáng)筋，在Hypermesh前處理軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立方案3的前艙裝飾罩網(wǎng)格模型，其中以四邊形殼單元為主，三角形網(wǎng)格過度的單元形態(tài);網(wǎng)格基本尺寸為3mm。共131280個(gè)單元，如圖12所示。

將圖12所示的方案3前艙裝飾罩網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化為bdf文件，然后導(dǎo)入Nastran中進(jìn)行模態(tài)分析，最后將計(jì)算生成的op2文件導(dǎo)入HyperView中進(jìn)行后處理工作，得到分析結(jié)果如圖13、14所示：

根據(jù)圖13、圖14可知，方案3前艙裝飾罩的一階模態(tài)頻率為23.06Hz，相對(duì)方案1、2明顯提升。能有效降低前艙裝飾罩與電驅(qū)動(dòng)總成產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)，滿足目標(biāo)值一階模態(tài)頻率≥23Hz的性能要求。

3.4 方案分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述分析，將原方案、優(yōu)化方案1-3的分析結(jié)果匯總，如表2所示：

根據(jù)表1可知，方案1-3均相對(duì)原方案模態(tài)頻率有所提升，其中方案3模態(tài)頻率最大，滿足目標(biāo)值一階模態(tài)頻率≥23Hz的性能要求，能有效降低與前艙裝飾罩電驅(qū)動(dòng)總成產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

（1）利用CAE分析建立前艙裝飾罩的有限元模型，對(duì)

現(xiàn)有前艙裝飾罩進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)前艙裝飾罩不滿足要求，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（2）根據(jù)原方案的分析結(jié)果，提出三種方案，均相對(duì)原方案模態(tài)頻率有所提升，且方案3最佳，滿足性能要求。

（3）通過CAE技術(shù)對(duì)前艙裝飾罩不斷優(yōu)化，最終確定最佳方案，為前艙裝飾罩的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

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