某純電動(dòng)汽車(chē)后背門(mén)模態(tài)分析與試驗(yàn)

陳磊 譚雨點(diǎn)

摘 要：以某純電動(dòng)SUV汽車(chē)的后背門(mén)為研究對(duì)象 利用有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)理論 提出一種復(fù)合材料后背門(mén)自由模態(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Nastran軟件進(jìn)行求解計(jì)算 利用Hyperview軟件查看結(jié)果云圖。通過(guò)對(duì)比仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果 可知其前三階彈性模態(tài)誤差均在5%以內(nèi) 充分證明了此后背門(mén)仿真模型的可靠性 該仿真分析模型對(duì)新能源電動(dòng)汽車(chē)后背門(mén)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和NVH性能提升均具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵字：純電動(dòng)汽車(chē);后背門(mén);有限元仿真;模態(tài)試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）18-105-03

Abstract： Taking the back door of a pure electric SUV as the research object and using the finite element optimization design theory， a modal simulation analysis method of composite back door was proposed. The mesh was divided and the simulation model was built in the Hypermesh software. The solution was calculated by using MSC. Nastran software， and the result cloud map was viewed by using the Hyperview software. By comparing the simulation analysis results with the test results， it can be seen that the error of the first three modes is within 5%， which fully proves the reliability of the rear door simulation model later on. This simulation analysis model has guiding significance for the structural optimization and NVH performance improvement of the rear door of new energy electric vehicles.

Keywords： Electric vehicle; Back door; Finite element simulation; Modal test

CLC NO.： U467.3? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-105-03

引言

純電動(dòng)汽車(chē)是目前及未來(lái)汽車(chē)行業(yè)的主要發(fā)展方向 純電動(dòng)汽車(chē)在提升動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等性能的同時(shí) 也需要努力改善整車(chē)NVH性能[1]。其中 關(guān)于后背門(mén)的設(shè)計(jì)是純電動(dòng)汽車(chē)NVH性能研究的重要內(nèi)容。復(fù)合材料后背門(mén)相對(duì)于傳統(tǒng)金屬后背門(mén) 能很好地解決后背門(mén)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能與輕量化之間的矛盾。復(fù)合材料具有許多金屬材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì) 比如：密度低、比強(qiáng)度高、比模量大、抗腐蝕性能力強(qiáng)、耐久性能好等。將其應(yīng)用到純電動(dòng)車(chē)車(chē)身零部件上 不僅可以減輕車(chē)身質(zhì)量 還具有較強(qiáng)的耐抗沖擊性能[2]。車(chē)身零部件中 后背門(mén)尤為關(guān)鍵。如果后背門(mén)固有頻率過(guò)低 則會(huì)出現(xiàn)密封不嚴(yán)、局部變形等問(wèn)題 影響整車(chē)的NVH性能。模態(tài)分析是了解結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性最直接有效的方法 若模型模態(tài)仿真分析結(jié)果準(zhǔn)確、可靠 在前期開(kāi)發(fā)階段即可提升整車(chē)的NVH性能。因此 本文以某純電動(dòng)SUV汽車(chē)的后背門(mén)為研究對(duì)象 利用有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)理論 提出一種后背門(mén)自由模態(tài)仿真分析方法 為復(fù)合材料后背門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供方向。

1 復(fù)合材料后背門(mén)有限元建模

本文研究的后背門(mén)是某款純電動(dòng)SUV汽車(chē)全新開(kāi)發(fā)零件 外板材料為改性聚丙烯PP+EPDM-T30 內(nèi)板材料為長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯PP-LGF40 其總成件外觀尺寸為805mm X 1323mm X 105mm。此后背門(mén)包含內(nèi)板、外板、鈑金加強(qiáng)板等。筆者在前處理軟件Hypermesh中建立后背門(mén)有限元模型建立 設(shè)置完成的自由模態(tài)分析工況導(dǎo)入Nastran求解器進(jìn)行求解。內(nèi)板、外板和鈑金加強(qiáng)板均為薄壁件 其長(zhǎng)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3x3mm;內(nèi)板和外板之間的膠粘連接用Adhesives單元模擬;鈑金加強(qiáng)板與內(nèi)板之間的螺栓連接用RBE2單元模擬; 最終建立的后背門(mén)有限元模型單元總數(shù)為190810 節(jié)點(diǎn)總數(shù)為194768 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13.8kg。 本文主要研究此后背門(mén)的自由模態(tài)特性 不需要任何約束條件 所建立仿真分析模型如下圖1所示。

2 后背門(mén)模態(tài)分析

2.1 后背門(mén)仿真分析

純電動(dòng)汽車(chē)由于沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的掩蔽 行駛過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲對(duì)駕駛舒適性影響很大。車(chē)身振動(dòng)會(huì)使后背門(mén)密封不嚴(yán) 出現(xiàn)局部變形等現(xiàn)象 影響整車(chē)的NVH性能 所以必須對(duì)后背門(mén)進(jìn)行振動(dòng)特性分析。后背門(mén)模態(tài)性能與整車(chē)NVH性能密切相關(guān) 因此 對(duì)后背門(mén)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí) 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;Φi為第i階模態(tài)的陣型向量;ωi2為第i階模態(tài)的固有頻率;M為質(zhì)量矩陣。

根據(jù)以上理論 利用有限元軟件 可以直接對(duì)后背門(mén)進(jìn)行網(wǎng)格劃分和仿真模型搭建 求解計(jì)算后 便可直接查看仿真計(jì)算結(jié)果。此次對(duì)后背門(mén)進(jìn)行自由模態(tài)仿真分析 不考慮前6階剛體模態(tài) 前三階彈性模態(tài)振型如圖2、圖3、圖4所示。

2.2 后背門(mén)模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證后背門(mén)有限元模型模態(tài)分析的可靠性 采用頻響函數(shù)法試驗(yàn)方法獲取后背門(mén)模態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)方案如下：（1）通過(guò)膠繩將后背門(mén)懸架起來(lái) 使其處于自由狀態(tài);（2）采用傳感器固定不動(dòng)、力錘移動(dòng)的方法進(jìn)行測(cè)量 將力錘激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)通過(guò)放大器放大后輸出到結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)LMS Test.Lab 14A中進(jìn)行分析處理。其前三階試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果如表1所示 模態(tài)陣型如圖5、6、7所示。試驗(yàn)得到一階模態(tài)27.8Hz 與仿真結(jié)果差異僅為0.1% 而二階模態(tài)誤差為4.8% 三階模態(tài)誤差3.7% 前三階模態(tài)誤差均在5%以內(nèi) 充分證明了仿真結(jié)果的可靠性。

3 結(jié)論

本文建立了純電動(dòng)SUV汽車(chē)復(fù)合材料后背門(mén)的有限元仿真分析模型 并進(jìn)行了自由模態(tài)仿真分析 得到其前三階彈性模態(tài);設(shè)計(jì)了一種頻響函數(shù)法試驗(yàn)方案 得到此后背門(mén)前三階試驗(yàn)?zāi)B(tài);通過(guò)對(duì)比仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果 前三階彈性模態(tài)誤差均在5%以內(nèi) 驗(yàn)證了此后背門(mén)仿真模型的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉孟，陸靜，王小龍，王亞運(yùn)，宋萬(wàn)龍.基于工況傳遞路徑法的后背門(mén)振動(dòng)噪聲識(shí)別及模態(tài)分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（23）：55-58.

[2] 余海燕，徐豪，周辰曉.大學(xué)生方程式賽車(chē)復(fù)合材料單體殼車(chē)身優(yōu)化[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，44（11）：1729-1734+1748.

[3] 鄧本波.汽車(chē)振動(dòng)乘坐舒適性的評(píng)價(jià)方法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005.