某SUV尾門模態(tài)性能分析及輕量化設(shè)計(jì)

段龍楊

某SUV尾門模態(tài)性能分析及輕量化設(shè)計(jì)

段龍楊1,2,3

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330200；2.江西省乘用車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程研究中心，江西 南昌 330200；3.江西省汽車噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330200）

以某SUV尾門為研究對(duì)象，首先建立尾門有限元模型，對(duì)其進(jìn)行自由模態(tài)分析，分析結(jié)果表明其前三階頻率均大于激勵(lì)頻率，符合動(dòng)態(tài)性能要求。然后采用錘擊法對(duì)其進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明其仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。最后對(duì)尾門的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到其最優(yōu)的厚度值，并且其重量減小了5.5%，實(shí)現(xiàn)了輕量化的效果。

尾門；有限元；模態(tài)；輕量化

引言

車門是車輛系統(tǒng)中最重要的部件之一，其主要由外板、內(nèi)板、加強(qiáng)板及其附屬件組成。車門的剛度性能和強(qiáng)度主要影響其疲勞性能和可靠性，其模態(tài)性能主要影響著車輛的舒適性。若車門與車身、路面和發(fā)動(dòng)機(jī)等外界激勵(lì)頻率不匹配時(shí)，將使系統(tǒng)相互之間的耦合加強(qiáng)，造成車門振動(dòng)增大，也容易產(chǎn)生共振風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響整車的舒適度。與此同時(shí)，隨著能源越來越緊張和環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，節(jié)能減排是汽車行業(yè)必須重視的問題。研究表明，車輛每減輕100 kg，燃油經(jīng)濟(jì)性可提升6 %，并且可以降低一定的尾氣排放，因此車輛的輕量化是目前汽車領(lǐng)域重要的研究手段。為了研究某SUV尾門的模態(tài)性能，首先建立尾門有限元模型，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)性能分析，然后對(duì)其進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證有限元分析的正確性，最后對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，獲取尾門的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 模態(tài)分析原理

基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)力學(xué)理論可以獲取尾門的運(yùn)動(dòng)方程[1]：

式中：[]表示尾門的質(zhì)量矩陣；[]表示尾門的阻尼矩陣；[]表示尾門的剛度矩陣；{}為表示尾門的位移向量。

式中：表示尾門的固有頻率，{}表示尾門的模態(tài)陣型。

2 建立尾門有限元模型

某SUV尾門主要由外板、內(nèi)板和兩側(cè)加強(qiáng)板組成，外板的厚度為1.8 mm，內(nèi)板的厚度為1.6 mm，加強(qiáng)板的厚度為2.0 mm，尾門的重量為23.6 kg，將其三維數(shù)字模型導(dǎo)入Hypermesh軟件[2-3]中。由于尾門的外板、內(nèi)板和加強(qiáng)板均屬于薄的沖壓鈑金件，因此分別抽取它們的中性面，然后清理其幾何表面，忽悠微小特征，并刪除對(duì)模態(tài)性能影響比較小的零部件。根據(jù)尾門模型的實(shí)際尺寸，保證分析精度，并盡量減少計(jì)算時(shí)間，采用5 mm的四邊形單元對(duì)尾門的各個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，過渡區(qū)域可以采用三角形單元連接。外板與內(nèi)板通過包邊連接，采用四邊形單元共節(jié)點(diǎn)連接。兩側(cè)加強(qiáng)板與內(nèi)板通過焊縫連接，采用ACM單元連接能夠較好的表征力學(xué)傳遞關(guān)系。尾門的材料牌號(hào)為DC01，其彈性模量為2.1E+5 MPa，泊松比為0.3，密度為7.85E+3 kg/m3。根據(jù)尾門的材料牌號(hào)和厚度建立相應(yīng)的材料屬性，以此建立尾門有限元模型，如圖1所示。

圖1 尾門有限元模型

3 模態(tài)性能分析

通過尾門的模態(tài)性能分析可以獲取其模態(tài)頻率及其陣型，能夠識(shí)別出共振風(fēng)險(xiǎn)。尾門的自由模態(tài)性能分析是指不加載任何約束和載荷，因此基于尾門有限元模型，采用Nastran軟件[4-5]不作任何約束，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)性能分析，得到其第一階、第二階和第三階模態(tài)頻率分別為35.7 Hz、62.3 Hz和76.4 Hz。

圖2 尾門第一階陣型云圖

如圖2所示，為尾門第一階陣型云圖。由圖2可知，其陣型表現(xiàn)為整體扭轉(zhuǎn)，其模態(tài)振幅最大為19.88 mm。

如圖3所示，為尾門第二階陣型云圖。由圖3可知，其陣型表現(xiàn)為整體彎曲，其模態(tài)振幅最大為19.15 mm。

圖3 尾門第二階陣型云圖

如圖4所示，為尾門第三階陣型云圖。由圖4可知，其陣型表現(xiàn)為中部凸起，其模態(tài)振幅最大為22.53 mm。

圖4 尾門第三階陣型云圖

該SUV發(fā)動(dòng)機(jī)的額定運(yùn)行頻率為30 Hz，路面的激勵(lì)頻率范圍為10～20 Hz，因此尾門的模態(tài)頻率有效地避開了外界的激勵(lì)頻率范圍，不會(huì)產(chǎn)生共振，完全滿足尾門的振動(dòng)特性要求。

4 模態(tài)試驗(yàn)

為了校核有限元分析的準(zhǔn)確性，將尾門采用彈性繩將尾門懸掛與試驗(yàn)臺(tái)上，使其處于無約束狀態(tài)，采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)和錘擊法對(duì)尾門進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，并基于頻響函數(shù)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到其模態(tài)試驗(yàn)值及試驗(yàn)陣型。如圖5～圖7所示，分別為尾門的前三階模態(tài)試驗(yàn)陣型。由圖5～圖7可知，尾門的前三階試驗(yàn)陣型分別表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)、彎曲和凸起，與模態(tài)仿真陣型相吻合。

圖5 尾門第一階試驗(yàn)陣型

圖6 尾門第二階試驗(yàn)陣型

圖7 尾門第三階試驗(yàn)陣型

如表1所示為尾門的模態(tài)試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比。由表1知，尾門的模態(tài)頻率仿真值與試驗(yàn)值的誤差率均在實(shí)際工程誤差范圍之內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了模態(tài)性能分析的可靠性。

表1 模態(tài)仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比

階數(shù)仿真值試驗(yàn)值誤差率 第一階頻率/Hz35.734.24.4% 第二階頻率/Hz62.360.13.7% 第三階頻率/Hz76.471.66.7%

5 輕量化設(shè)計(jì)

通過尾門的模態(tài)性能分析可知，其振動(dòng)性能擁有足夠的富余量，具有輕量化的空間，因此將尾門外板的厚度值、內(nèi)板的厚度值和加強(qiáng)板的厚度值作為設(shè)計(jì)變量，將尾門重量最小化作為目標(biāo)函數(shù)，將其第一階模態(tài)頻率大于33 Hz作為約束函數(shù)，采用第二代非劣排序遺傳算法[6]對(duì)尾門進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終得到尾門外板的厚度為1.6 mm，內(nèi)板的厚度為1.2 mm，加強(qiáng)板的厚度為1.5 mm。

圖8 優(yōu)化之后的尾門第一階陣型云圖

優(yōu)化之后尾門的前三階固有頻率分別為33.2 Hz、58.7 Hz和70.1 Hz，其模態(tài)頻率仍然高于激勵(lì)頻率，符合性能要求。如圖8～圖10所示分別為優(yōu)化之后尾門的前三階陣型云圖。由圖8～圖10可知，優(yōu)化之后尾門的前三階模態(tài)振幅最大分別為17.89 mm、17.24 mm和20.28 mm，其陣型與優(yōu)化之前相同。

圖9 優(yōu)化之后的尾門第二階陣型云圖

圖10 優(yōu)化之后的尾門第三階陣型云圖

與此同時(shí)，優(yōu)化之后尾門的重量為22.3 kg，相對(duì)于優(yōu)化之前，其重量減輕了5.5%，實(shí)現(xiàn)了輕量化的效果。

6 結(jié)論

基于CAE技術(shù)建立尾門有限元網(wǎng)格，對(duì)其進(jìn)行自由模態(tài)性能分析，得到其前三階固有頻率分別為35.7 Hz、62.3 Hz和76.4 Hz，避開了外界激勵(lì)頻率，符合振動(dòng)特性要求。采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)方法對(duì)尾門進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，模態(tài)試驗(yàn)值與仿真值基本一致，誤差率較小。采用第二代非劣排序遺傳算法對(duì)尾門的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了尾門的最優(yōu)厚度值，并且其重量減輕了5.5%，達(dá)到了輕量化的目的。

[1] 朱茂桃,陳亞洲.基于靈敏度方法的車門模態(tài)優(yōu)化[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,33(1):139-143.

[2] 龍巖,蔣凌山,劉雪強(qiáng),等.某轎車車門輕量化與疲勞壽命多目標(biāo)綜合優(yōu)化[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2019,50(11):2732-2742.

[3] 錢銀超,劉向征,鄧衛(wèi)東,等.汽車車門有限元分析及綜合性能優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2018,(7):192-195.

[4] 秦訓(xùn)鵬,馮佳偉,王永亮,等.基于響應(yīng)面方法的微型車車門模態(tài)分析與優(yōu)化[J].中國(guó)機(jī)械工程,2017,28(14):1690-1695.

[5] 呂彩琴,王宏偉,孫權(quán).某電動(dòng)轎車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化與NVH性能提升[J].現(xiàn)代制造工程,2020(10):57-61.

[6] 劉昊,周成,于存貴.隨車起重機(jī)伸縮臂截面多目標(biāo)優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2020,36(1):173-176.

Modal Performance Analysis and Lightweight Design of a SUV Tail Gate

DUAN Longyang1,2,3

( 1.Jiangling Motors Corporation Limited Company, Jiangxi Nanchang 330200;2.Passenger Car Structure Design Engineering Research Center of Jiangxi Province, Jiangxi Nanchang 330200;3.Key Laboratory of Automobile Noise and Vibration of Jiangxi Province, Jiangxi Nanchang 330200 )

The tail gate of an SUV was taked as the research object. Firstly, the tail gate finite element model was established, and it was modal analyzed, the analysised result showed that its first three frequencies were greater than the excitation frequency, so it could meet dynamic performance requirements. Secondly, it was modal tested by adopting hammer method, the test result showed that its simulation results were basically consistented with the experimental result. Lastly, the structure parameters of the tail gate were optimized, so the optimal thickness were obtained, and its weight was reduced by 5%, the lightweight effect was realized.

Tail gate; Finite element; Modal;Lightweight

U463.83+4

A

1671-7988(2021)20-104-04

U463.83+4

A

1671-7988(2021)20-104-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.025

段龍楊（1966—），男，高級(jí)工程師，碩士，就職于江鈴汽車股份有限公司，主要從事車輛工程研究。