鋁合金白車身模態(tài)及剛度分析

李洪林，李 勤，吳 昊，霍英妲，李文溢，王東輝

(1.沈陽工業(yè)大學 化工裝備學院，遼寧 遼陽 111000；2.遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111000)

現(xiàn)代轎車車身普遍采用承載式車身架構(gòu)。承載式車身由于沒有車架，可以減輕整車質(zhì)量，使整車高度降低，提高汽車的操控性能和燃油經(jīng)濟性。高剛度、輕量化已經(jīng)成為當今汽車車身設(shè)計追求的目標，白車身的輕量化設(shè)計可以從結(jié)構(gòu)、材料與工藝3個方面入手。本文即采取了材料輕量化的方式，使用鋁合金設(shè)計一款白車身。對于白車身比較關(guān)注的NVH(Noise，Vibration &Harshness)性能，它對于乘用車來說是至關(guān)重要的。車身與其它激勵源發(fā)生共振、還有噪聲的傳導不但會大大降低駕駛員的駕駛舒適度，而且長此以往也會對車身的結(jié)構(gòu)性能造成影響，而白車身本身的剛度過低，也會擴大激勵源共振的影響。我們在對白車身NVH性能進行研究時主要集中在白車身剛度以及模態(tài)分析。汽車剛度的研究主要集中在彎曲剛度以及扭擰剛度兩個方面。模態(tài)頻率研究主要對比白車身低階模態(tài)頻率是否會與激勵源發(fā)生共振。對于上述三個方面的研究，在白車身設(shè)計階段，通常采用CAE仿真模擬分析來進行研究和優(yōu)化。

有限元分析作為CAE分析的重要組成部分，在其車身工程設(shè)計領(lǐng)域發(fā)揮著特別重要的作用。有限元分析能夠提高車身的設(shè)計效率，使整個車身設(shè)計過程更加系統(tǒng)和規(guī)范[1]。

近年來，部分學者對汽車NVH性能做出了大量研究。李珊[2]等人研究了汽車在高里程行駛下NVH性能的衰減現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)在怠速工況下，車內(nèi)振動加速度隨著行駛里程數(shù)的增大而增大，車內(nèi)噪聲聲壓級隨著行駛里程的增加先升高后降低。王小留[3]等人采用重量靈敏度分析的方法提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度，研究了如何合理分配料厚來提升白車身的扭轉(zhuǎn)剛度。陳海潮[4]等人結(jié)合國內(nèi)100余款、國外80余款乘用車的白車身剛度參數(shù)建立了乘用車車身剛度參數(shù)數(shù)據(jù)庫，挖掘出了白車身剛度參數(shù)的分布規(guī)律，提出利用車身外觀尺寸設(shè)計白車身剛度參數(shù)的方法。Vijay Antony John Britto[5]等人綜合固有頻率、動剛度、結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)和振聲傳遞函數(shù)4個方面將整車NVH分解到各個子系統(tǒng)及部件。張守元[6]等通過傳遞路徑分析尋找并提高關(guān)鍵子系統(tǒng)性能來實現(xiàn)整車目標。Juha Plunt[7]通過4個案例闡明了使用傳遞路徑分析提高汽車 NVH 的有效性。解建坤等[8]通過面板聲學貢獻量的分析來對車身進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。馬天飛等[9]建立了考慮流固耦合作用(FSI)的模型來分析和改進車身NVH。

為實現(xiàn)車身輕量化目的，本文以鋁合金以及碳&玻材料設(shè)計了一款鋁合金白車身，并利用有限元法對其進行分析。對白車身總成結(jié)構(gòu)進行了彎曲剛度、扭擰剛度以及模態(tài)分析，并根據(jù)有限元分析結(jié)果對白車身結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，在保證白車身整體質(zhì)量的前提下滿足其輕量化的目的。

1 工況介紹

本文使用Abaqus對鋁合金白車身性能進行有限元模擬測試，選用殼單元建立有限元模型。采用RBE3-CBAR進行焊點模擬，采用RBE3-HEXA對膠接點進行模擬。建成的白車身有限元模型網(wǎng)格尺寸10mm，共有795199個單元，其中四邊形單元63200個，共占總數(shù)的98.9%，焊點總計23676個。

1.1 靜態(tài)彎曲工況

彎曲工況的約束點為，左后減震器安裝點XYZ方向，右后減震器安裝點XZ方向，左前減震器安裝點YZ方向，右前減震器安裝點Z向。彎曲工況載荷大小為F=1500N，載荷加載位置為門檻梁中部位置，載荷施加方向為Z軸負方向。彎曲工況約束點及載荷設(shè)置如圖1所示。

圖1 彎曲工況加載及約束示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading and restraint under bending condition

1.2 靜態(tài)扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況的約束點為，左后減震器安裝點XYZ向，右后減震器安裝點XZ向，防撞梁中間位置Z向。扭轉(zhuǎn)工況載荷加載方式為在左右減震器的兩個安裝點上施加一個大小為2000N·m的力矩，力的方向沿Z軸方向，作用于兩個安裝點上的力大小相等方向相反。扭轉(zhuǎn)工況約束及加載方式如圖2所示。

圖2 扭擰工況加載及約束示意圖Fig.2 Schematic diagram of loading and constraint under twist working condition

1.3 模態(tài)工況

白車身模態(tài)分析時為自由狀態(tài)，不設(shè)置任何載荷和約束。

2 模態(tài)分析

汽車在路面上行駛時，能夠影響到它的激勵源為發(fā)動機激勵和路面激勵，當車身結(jié)構(gòu)與發(fā)動機振動頻率或是路面振動頻率達到同一范圍時，便會發(fā)生共振，從而影響駕駛員的駕駛感受。

轎車在使用過程中，發(fā)動機的工作狀態(tài)主要有兩種，一種是怠速狀態(tài)，另一種是正常行駛狀態(tài)。怠速狀態(tài)即發(fā)動機空轉(zhuǎn)耗油，車身制動未行駛的狀態(tài)，轉(zhuǎn)速范圍為550 r/min ～800r/min。轎車正常行駛狀態(tài)下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍為1500 r/min ～3500r/min[10]。

發(fā)動機的振動激勵頻率為：

(1)

式中，點火階次為發(fā)動機一個完整周期內(nèi)點火的次數(shù)。由于本文所研究的轎車使用的發(fā)動機類型為4缸4沖程汽油發(fā)動機，所以點火階次等于2。將怠速轉(zhuǎn)速范圍與正常轉(zhuǎn)速范圍分別代入式(1)，得到發(fā)動機怠速狀態(tài)和正常行駛狀態(tài)激勵頻率范圍為18.3Hz～26.6Hz和50.0Hz～116.7Hz。所以白車身前3階固有頻率一般應(yīng)在27Hz～45Hz[10]。

模態(tài)分析結(jié)果見表1，白車身第一階模態(tài)處于汽車正常行駛狀態(tài)的激勵范圍內(nèi)。

表1 白車身模態(tài)分析Tab.1 modal analysis of BIW

3 剛度分析

3.1 彎曲剛度

彎曲剛度的定義為：

KB=FB/uB

(2)

式中，uB為門檻處的最大垂向位移[10]。白車身彎曲剛度結(jié)果如圖3所示，模型最大彎曲量為0.35mm。由式(2)可以計算出，白車身的彎曲剛度為8571N/mm。

圖3 彎曲剛度計算結(jié)果Fig.3 Results of bending stiffness calculation

3.2 扭擰剛度

扭轉(zhuǎn)剛度定義為：

(3)

圖4 扭擰剛度計算結(jié)果Fig.4 Results of twist stiffness calculation

4 模態(tài)設(shè)計優(yōu)化

4.1 固有頻率靈敏度分析

本文中的白車身共計12種板材，分別編號為1號～12號，以其板材厚度作為設(shè)計參數(shù)，除了第一階模態(tài)頻率外的其它各階固有頻率作為約束函數(shù)且車身總質(zhì)量不超過1%，計算出白車身各個板材厚度對第一階扭轉(zhuǎn)固有頻率的靈敏度。分析結(jié)果如圖5所示，由圖中可知，2號、4號、5號、9號以及11號板材的厚度對于第一階模態(tài)頻率的靈敏度最高，這5個編號所對應(yīng)的板材分別是右側(cè)圍蒙皮、前風窗右側(cè)密封板、后風窗右支撐外板和右輪前罩。

圖5 靈敏度分析結(jié)果Fig.5 Sensitivity analysis results

4.2 一階模態(tài)優(yōu)化

根據(jù)白車身設(shè)計上限范圍分別將右側(cè)圍蒙皮厚度增加0.3mm，前風窗右側(cè)密封板、后風窗右支撐外板以及右輪前罩厚度增加0.5mm。優(yōu)化后的模態(tài)計算結(jié)果見表2，優(yōu)化后的模型整體模態(tài)頻率均有一定程度提高，大大提高了白車身的NVH性能[11]。

表2 優(yōu)化后模態(tài)頻率 Tab.2 Optimized modal frequency

5 結(jié)語

汽車工業(yè)發(fā)展至今天，NVH性能已經(jīng)占據(jù)了汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要位置。在保證車輛安全性的同時，駕駛舒適感也是汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中追求的重點。汽車結(jié)構(gòu)剛度一方面表征了其安全性能，同時也影響著汽車的NVH性能。汽車結(jié)構(gòu)模態(tài)則是影響其NVH性能的關(guān)鍵因素，低階模態(tài)頻率很容易與發(fā)動機或者路面發(fā)生共振，從而導致噪聲以及振動。

本文對某鋁合金白車身進行了模態(tài)以及剛度分析。在模態(tài)分析中發(fā)現(xiàn)，白車身的第一階模態(tài)頻率為25.4Hz，處于發(fā)動機運行的激勵頻率范圍內(nèi)，使白車身的NVH性能大大降低。通過對白車身的板材構(gòu)件進行靈敏度分析，找出了對鋁合金白車身第一階模態(tài)影響最大的5種板材構(gòu)件，在設(shè)計允許的范圍內(nèi)對板材進行增厚，將白車身第一階模態(tài)頻率提升至了30.0Hz，避免了白車身會與發(fā)動機產(chǎn)生共振的問題。同時本文對鋁合金白車身進行了彎曲剛度以及扭擰剛度分析，鋁合金白車身的彎曲剛度為8571N/mm，扭擰剛度為22575N·m。