針對某SUV車型的發(fā)動機懸置優(yōu)化

劉杰昌，劉忠偉，張群，韋進鐮

針對某SUV車型的發(fā)動機懸置優(yōu)化

劉杰昌1，劉忠偉1，張群2，韋進鐮1

( 1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.湖南湖大艾盛汽車技術開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410205）

汽車車內的噪聲舒適性一直是汽車用戶感知的重要評價，而評價車內噪聲舒適性的指標之一就是動剛度，動剛度性能的好壞直接關系著汽車的隔振性能優(yōu)劣[1]，是汽車前期開發(fā)把控NVH性能的重要分析指標。為提升某SUV車型的NVH性能，采用HympreMesh作為前處理軟件建立白車身有限元模型，用OptiStruct求解器來求解，分析出接附點動剛度，并診斷出車身結構弱點區(qū)域并進行優(yōu)化，使該車身NVH性能得到提升。研究表明：合理的優(yōu)化方案能大幅度提升關鍵硬點動剛度。如文章案例，白車身關鍵硬點動剛度提升幅度達100%～300%不等。

接附點動剛度；ODS診斷；隔振率

引言

汽車作為我國技術經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展水平很大程度上反映了我國的工業(yè)技術綜合水平。而且隨著技術的不斷更新發(fā)展，現(xiàn)代汽車的生產(chǎn)周期越來越短，對性能的要求越來越高，也越來越全面，不僅對基本的安全性、外觀性、動力性能等有要求，NVH性能也成為了現(xiàn)代汽車的一個重要追求指標，有了消費者的需求之后，就促進了主機廠對NVH性能越來越重視。NVH是指Noise（噪聲）、Vibration（振動）和Harshness（舒適性）[2]，由于它們往往同時出現(xiàn)，故通常是作為一個整體的研究對象。NVH的性能分析指標有很多，包括模態(tài)、動剛度、傳遞函數(shù)、噪聲等等方面，其中最基本也是不可或缺的一項分析就是動剛度。動剛度指的是系統(tǒng)在特定的動態(tài)激勵作用下抵抗變形的能力[3]，用機械術語來描述的話，指的就是加速度導納，即IPI，表示加速度響應與激勵力的傳遞函數(shù)[4]。在汽車前期設計階段，通過接附點動剛度的分析，可以了解車身的結構響應特性，更是車身隔振性能的直觀體現(xiàn)，一定程度上把控車子的NVH性能，避免后續(xù)實車出現(xiàn)噪聲過大或者振動過大等影響車子舒適性的問題，其意義是非常重要的[5]。

本文以某SUV車型作為研究對象，對接附點進行動剛度分析。再采用特定問題頻率下的ODS（工作變形）等輔助診斷優(yōu)化手段，對車身結構弱點進行優(yōu)化加強，提升接附點動剛度性能，確保隔振性能滿足目標（≥20 dB）[6]，以便達到NVH性能提升的目的。

1 白車身接附點動剛度分析

1.1 有限元模型的建立

以某車企SUV車型的白車身做為本文的分析原型，利用HyperMesh軟件進行有限元網(wǎng)格建模。車身鈑金件選用尺寸大小為8 mm×8 mm的殼單元來建模劃分；鈑金件大多為鋼材，故賦予鋼材的材料屬性：彈性模量2.1×105MPa，密度7.83×103kg/m3，泊松比0.3；白車身基本上是通過焊點、螺栓、燒焊、粘膠等方式把鈑金件組裝起來，有限元分析中通常采用Acm單元模擬焊點連接，RB2單元模擬螺栓連接。

1.2 有限元模型精確度驗證

圖1 模態(tài)仿真云圖

圖2 模態(tài)測試結果

白車身仿真結果：尾門框一階扭轉模態(tài)固有頻率為37.8 Hz，整體一階彎曲模態(tài)為49.8 Hz，整體一階扭轉模態(tài)為51.7 Hz，仿真結果如下圖1所示。

模態(tài)試驗結果：尾門框一階扭轉模態(tài)固有頻率為37.1 Hz，整體一階彎曲模態(tài)為51.1 Hz，整體一階扭轉模態(tài)為50.6 Hz，測試結果如下圖2所示。

從對比結果來看（見表1），仿真誤差率基本低于標準值5%，仿真結果與測試結果吻合度較高，故所建有限元模型有效性可靠，可用于后續(xù)分析優(yōu)化工作。

表1 模態(tài)仿真與測試對比數(shù)據(jù)

振型頻率/Hz誤差/% 實驗仿真 尾門框一階扭轉37.137.8+2 整車一階彎曲51.149.8?2.5 整車一階扭轉50.651.7+2.2

1.3 動剛度公式推導

根據(jù)振動系統(tǒng)理論，對單自由度黏彈性系統(tǒng)，建立其位移公式方程為：

=sin（+） （1）

式中：為位移；為幅值；為圓頻率；為時間；為相位角。

如下為函數(shù)求導，對式（1）進行兩次一階求導可得式（2）和式（3）：

1=?sin(+) （4）

=2（5）

如下為圓頻率公式：

=2（6）

式6中：為頻率。

如下為幅值、加速度和頻率三者關系：

如下為剛度、載荷和幅值三者關系：

式（8）中：為動剛度；為載荷；取1 N的掃頻載荷。

如下為動剛度、頻率和加速度三者關系：

1.4 動剛度分析工況

在白車身自由狀態(tài)下，在車身與底盤的關鍵柔性接附點處位置分別施加、、三個方向的動態(tài)單位激勵力，且以其本身激勵點同時作為響應點，車身柔性接附點位置如圖3所示。運用單位激勵頻率響應計算法分析關鍵接附點動剛度，計算頻率一般為1～500 Hz，輸出形式為加速度曲線，再根據(jù)式（9），得出基于頻率的動剛度曲線。

圖3 車身接附點

1.5 動剛度結果分析

采用后處理軟件HyperWorks導出動剛度曲線進行結果分析，一般不同的接附點相應會有不一樣的動剛度性能目標要求。本文中分析的車型要求懸置接附點不低于5 000 N/mm，懸掛上的接附點不低于10 000 N/mm，排氣系統(tǒng)的吊鉤接附點不低于500 N/mm，基于性能目標的要求，除了右懸置接附點向較差，不滿足5 000 N/mm的外，其余各接附點基本上均滿足目標。懸置動剛度不足，容易使得隔振率過低，不滿足被動端剛度10倍于主動端（即隔振率≥20 dB）的要求[7]會導致發(fā)動機傳遞到車身上的激勵過大，容易造成加速時候出現(xiàn)“噪聲大”等問題。故針對該問題，需對右懸置向動剛度進行診斷優(yōu)化，使其達到目標。

表2 動剛度1/3倍頻程數(shù)值

Point發(fā)動機右懸置接附點 車型原狀態(tài) 目標5 0005 0005 000 N/mmN/mmN/mm FreqXYZ 509 5598 0837 072 6327 3444 88019 305 8017 6383 6856 056 10044 2753 86015 298 12520 5073 19632 897 16019 3162 24933 936 20030 6253 48927 091 25036 2994 67946 765 31551 9873 07532 131 40068 4593 97733 810

在1～400 Hz激勵頻率范圍內，右懸置向動剛度在63～400 Hz頻段內均不滿足目標，如表2中的1/3倍頻程數(shù)值以及圖4中的曲線圖：

圖4 動剛度曲線圖

2 右懸置Y向動剛度不足診斷

2.1 ODS工作變形分析診斷

工作變形分析（Operational Deflection Shape, ODS），定義為結構在某特定頻率下的工作變形[8]。根據(jù)之前的右懸置向動剛度分析結果，可以發(fā)現(xiàn)在315 Hz附近的動剛度數(shù)值最小，故針對該弱點頻率，進行針對性的ODS分析，可以得到在右懸置向315 Hz激勵下的工作變形圖，如下圖5所示：

圖5 315 Hz下工作變形

從變形圖中可以看到，在頻率為315 Hz時在向的整體運動，說明輪罩前撐板的剛度不足以支撐住懸置向的運動變形，因此，對輪罩撐板的剛度進行加強或者是將懸置搭接到向剛度更大的部件上，則可以牽制住懸置的運動變形，即達到改善懸置向動剛度的目的。

2.2 右懸置Y向動剛度優(yōu)化

從圖5的工作變形圖中得知，懸置向搭接剛度不足，導致了右懸置向動剛度不滿足目標，現(xiàn)對這一相關區(qū)域進行結構優(yōu)化。方案如下圖6所示。

圖6中，原狀態(tài)紅色圈標志出來的粉色搭接板件搭接在了藍色的輪罩撐板上，由于該藍色輪罩撐板平面面積較大，結構剛度不夠，所以造成了懸置向剛度不夠，現(xiàn)將懸置搭接結構進行更改，即將原來搭接到藍色撐板的板件更改搭接到有較大腔體的黃色板件上，如圖6方案一所示。該方案對于提升懸置向動剛度效果顯著，如下表3、圖7所示。

圖6 方案一：搭接支架更改

表3 動剛度1/3倍頻程數(shù)值

Point發(fā)動機右懸置接附點 車型原狀態(tài)方案一 目標5 0005 0005 0005 0005 0005 000 N/mmN/mmN/mmN/mmN/mmN/m FreqXYZXYZ 509 5598 0837 07213 21321 73611 157 6327 3444 88019 30541 70111 26023 363 8017 6383 6856 05635 7168 00110 273 10044 2753 86015 29839 5507 22225 702 12520 5073 19632 89716 7496 28917 147 16019 3162 24933 93615 8763 69512 535 20030 6253 48927 09126 8737 38622 229 25036 2994 67946 76543 48910 80126 460 31551 9873 07532 13159 74834 42916 931 40068 4593 97733 810101 02639 12915 099

圖7 動剛度曲線圖

圖8 方案二：增加1.2 mm橫梁

圖8中，在剛度較低的撐板搭接處增加灰色的1.2 mm小橫梁，加強搭接板件的局部剛度，結構更改如圖10方案二所示。該方案對于提升懸置向動剛度效果依然顯著，1/3倍頻程數(shù)值結果及曲線對比結果如下表4、圖9所示。

表4 動剛度1/3倍頻程數(shù)值

Point發(fā)動機右懸置接附點 車型原狀態(tài)方案二 目標5 0005 0005 0005 0005 0005 000 N/mmN/mmN/mmN/mmN/mmN/m FreqXYZXYZ 509 5598 0837 0729 48221 3616 943 6327 3444 88019 30527 50112 72719 366 8017 6383 6856 05618 0797 3386 119 10044 2753 86015 29845 0297 65615 054 12520 5073 19632 89720 9196 45633 592 16019 3162 24933 93620 0154 07135 764 20030 6253 48927 09131 1098 34327 655 25036 2994 67946 76537 19013 74748 763 31551 9873 07532 13147 32927 28446 422 40068 4593 97733 81083 43714 47628 872

圖9 剛度曲線圖

圖10 方案三：安裝孔處增加1.5 mm加強板

圖10中，在懸置與輪罩前撐板安裝孔處的背面增加一塊1.5 mm的小加強板，使得搭接孔周邊剛度增大，結構更改區(qū)域如圖中10所示。

表5、圖11中，右懸置向動剛度經(jīng)過改變搭接結構后，向動剛度從原來的不達標，提升到全頻率段基本滿足目標（2 000～5 000 N/mm），提升幅度高達100%～300%不等。從圖中三個方案的數(shù)值結果及曲線圖中可以看出懸置向動剛度改善非常明顯。從工藝實施情況以及性價比來看，加上平臺化考慮，選擇方案三最好。方案一雖然重量沒有增加，但是需要更改懸置，需重新開模，而且需要匹配空氣濾清器的布置更改，對方案的實施增加了變量。方案二在輪罩撐板正面增加加強梁，增重120 g，且車內部空間受限，不好實施。方案三滿足懸置平臺化，無需重新更改懸置，且在輪罩撐板背面增加加強板工藝比較容易實現(xiàn)，符合人機工程，重量增加僅90 g，符合輕量化需求，且性能較好。綜合考慮以上三種方案的各種優(yōu)缺點，最后采用了方案三。

表5 動剛度1/3倍頻程數(shù)值

Point發(fā)動機右懸置接附點 車型原狀態(tài)方案三 目標5 0005 0005 0005 0005 0005 000 N/mmN/mmN/mmN/mmN/mmN/m FreqXYZXYZ 509 5598 0837 0729 64515 0837 126 6327 3444 88019 30527 4188 28119 193 8017 6383 6856 05617 6955 4536 006 10044 2753 86015 29814 4245 86815 057 12520 5073 19632 89720 5824 84633 273 16019 3162 24933 93619 3965 00535 396 20030 6253 48927 09130 4516 14027 380 25036 2994 67946 76536 2599 20748 972 31551 9873 07532 13150 67512 96140 883 40068 4593 97733 81070 4585 18823 858

圖11 動剛度曲線圖

3 結論

本文利用利用單位激勵下的頻率響應法對某SUV白車身上的關鍵接附點（車身與懸掛、動力傳動系統(tǒng)發(fā)生柔性連接的位置）進行動剛度分析，同時利用ODS工作變形等診斷手段進行輔助優(yōu)化，能有效地解決該SUV右懸置不滿足目標的問題，為發(fā)動機傳遞到車身上的激勵振動提供較好的隔振性，同時從前期設計開發(fā)階段就把控了由于發(fā)動機懸置動剛度不足引起的加速“噪聲大”等實車問題，并得到如下結論：

（1）通過模態(tài)仿真結果與測試結果的相關主要振型進行對比分析，確定了有限元模型的正確性，進一步可以利用此SUV白車身模型進行分析診斷優(yōu)化等工作，故說明仿真優(yōu)化后的結果可信。

（2）根據(jù)右懸置接附點不滿足目標，且最低動剛度指在315 Hz頻率處的問題指向，通過ODS工作變形分析可以找到懸置向動剛度較低的原因是由于懸置搭接結構的向支撐剛度不足導致，更進一步的為優(yōu)化方案提供了思路。

（3）通過對前輪罩相關區(qū)域進行優(yōu)化，在懸置搭接位置增加加強板，或者是通過改變懸置搭接位置板件，可以有效改善懸置向動剛度，最小動剛度值從2 000 N/mm提高到5 000 N/mm附件，提升幅度高達150%。

（4）在前期白車身的仿真分析應用中，通過優(yōu)化關鍵接附點的動剛度，可以有效提升汽車的隔振性能，進一步改善噪聲、振動等NVH性能，可以對后續(xù)的車身設計提供指導思路以及實車試驗和生產(chǎn)提供極大幫助。

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Optimization Analysis of Dynamic Stiffness of a SUV Body in White

LIU Jiechang1, LIU Zhongwei1, ZHANG Qun2, WEI Jinlian1

( 1.SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545007;2.AISN Auto R&D Co., Ltd., Hunan Changsha 410205 )

Vehicle interior noise comfort has been car user perception of important evaluation, one of the indicators and evaluating the comfort of interior noise is dynamic stiffness, dynamic stiffness performance of vibration isolation performance of the car has a close relationship with quality, is the early stage of the car development controls the harshness (NVH) performance analysis of the important indicators in order to promote the harshness (NVH) performance of a certain SUV, HyperMesh as pretreatment software is adopted to establish the finite element model of the white body, can be solved by using OptiStruct solver, analysis the dotted dynamic stiffness, body structure and diagnose the weakness area disease is optimized, make the body harshness (NVH) were improved.

Dynamic stiffness of attachment point;ODS diagnosis;Vibration isolation rate

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.018

U463.8

B

1671-7988(2021)21-76-05

U463.8

B

1671-7988(2021)21-76-05

劉杰昌，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司，主要研究方向：汽車仿真分析。