皮卡前門模態(tài)性能研究分析及優(yōu)化

俞大象，劉云芳

皮卡前門模態(tài)性能研究分析及優(yōu)化

俞大象，劉云芳

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052）

針對(duì)皮卡前門模態(tài)不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，建立有限元模型進(jìn)行分析，采用應(yīng)變能方法（ESE）對(duì)其進(jìn)行模態(tài)優(yōu)化。通過(guò)仿真及實(shí)車驗(yàn)證，提出的優(yōu)化方案，在不增重的前提下，模態(tài)提高，滿足目標(biāo)要求。說(shuō)明基于ESE相對(duì)于傳統(tǒng)基于工程師經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)化方法效率更好，效果更好，對(duì)類似的工程優(yōu)化問(wèn)題提供一定的參考。

皮卡；車門；內(nèi)板模態(tài)；優(yōu)化方法；應(yīng)變能；有限元模型；模態(tài)優(yōu)化

皮卡作為客貨兩用車，在城郊及農(nóng)村需要較為旺盛，是鄉(xiāng)村振興的重要組成力量[1]。而車門作為人車交互的第一步，其各項(xiàng)性能直接影響駕駛員對(duì)汽車的評(píng)價(jià)。汽車在行駛中會(huì)受到路面激勵(lì)的作用，車門的模態(tài)若同路面和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)重疊，會(huì)與路面和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生共振，帶來(lái)異響及轟鳴問(wèn)題[2]。

為避免以上問(wèn)題，對(duì)于某皮卡新開發(fā)車型，需要合理定義其模態(tài)目標(biāo)值，在項(xiàng)目開發(fā)前期對(duì)其開展CAE分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，以便優(yōu)化。

本文基于某新開發(fā)皮卡車型前門模態(tài)不達(dá)標(biāo)的情況，提出了一種能迅速找出影響車門模態(tài)敏感區(qū)域的方法，使工程師無(wú)需豐富經(jīng)驗(yàn)的情況下便能對(duì)其進(jìn)行精確優(yōu)化，能有效提高汽車研發(fā)效率，保證企業(yè)研發(fā)節(jié)點(diǎn)能按時(shí)完成[3-4]。

1 有限元分析理論

有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）就是使用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)實(shí)際物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬。即使用有限個(gè)簡(jiǎn)單的相互作用的單元去逼近求解無(wú)限的實(shí)際物理系統(tǒng)。因此，有限元分析的解并不是準(zhǔn)確解，而是一個(gè)近似解。

有限元分析法與其他求解近似方法的核心區(qū)別在于其近似性僅限于相對(duì)小的子域中，因此，對(duì)于具有復(fù)雜邊界問(wèn)題的求解十分有效。這是有限元分析在工程分析領(lǐng)域越來(lái)越重要的原因所在。

2 有限元模型建立

本文所研究的皮卡前門系統(tǒng)主要由外板、內(nèi)板、窗框、玻璃、導(dǎo)軌、鉸鏈、防撞梁以及各種加強(qiáng)板搭接板等組成。首先導(dǎo)入前門CAD模型到有限元前處理軟件中。由于車門各部件為塑料件和鈑金件組成，在前處理時(shí)，需要先對(duì)各部件抽取表面，并清理幾何表面忽略其不重要的微小特征；為了保證分析精度，同時(shí)兼顧服務(wù)器的計(jì)算效率，基于以往經(jīng)驗(yàn)，使用7 mm的網(wǎng)格單元尺寸進(jìn)行劃分。焊點(diǎn)使用acm單元、螺栓等剛性單元使用rigid單元進(jìn)行模擬。

2.1 網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)

為避免模型計(jì)算出錯(cuò)，需檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，如表1所示。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2.2 材料屬性

車門模型中需要用到的材料有鋼和改性PP材料，材料參數(shù)如表2所示。

表2 材料特性參數(shù)

2.3 有限元模型

按照以上步驟，最后劃分出的有限元模型如圖1所示。此模型質(zhì)量為32.98 kg，所劃分的網(wǎng)格總數(shù)為71 965個(gè)。

圖1 前門有限元模型

3 模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)就是各結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的固定的振動(dòng)頻率，其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)形式稱為模態(tài)振型[5]?；谡駝?dòng)力學(xué)理論，當(dāng)外部激勵(lì)為0時(shí)，且由于前門沒(méi)有阻尼，則其運(yùn)動(dòng)方程為

式中，{}為前門的位移向量；[]為前門的剛度矩陣；[]為前門質(zhì)量矩陣。

3.2 工況設(shè)置

由于考察TB狀態(tài)下車門模態(tài)，無(wú)需設(shè)置約束。在有限元軟件中，設(shè)置特征值分析卡片EIGRL，設(shè)置模態(tài)參數(shù)，計(jì)算50 Hz以內(nèi)的模態(tài)?？刂瓶ㄆ羞x用Nastran SOL103進(jìn)行求解設(shè)置。

3.3 模態(tài)結(jié)果

通過(guò)前門的模態(tài)分析可以知道其振型及對(duì)應(yīng)頻率，避免共振風(fēng)險(xiǎn)?；谟邢拊治霁@得其內(nèi)板模態(tài)頻率為26.43 Hz，振型如圖2所示。

圖2 前門內(nèi)板一階模態(tài)振型

4 模態(tài)優(yōu)化

為避免怠速轟鳴及抖動(dòng)問(wèn)題，車門一階模態(tài)需避開發(fā)動(dòng)機(jī)怠速二階激勵(lì)頻率（26 Hz）3 Hz以上，因此，要求TB狀態(tài)車門內(nèi)板模態(tài)大于29 Hz。當(dāng)前設(shè)計(jì)方案一階模態(tài)僅為26 Hz，不滿足目標(biāo)要求，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 應(yīng)變能分析

應(yīng)變能是物體變形時(shí)存儲(chǔ)在內(nèi)部的勢(shì)能，能夠反映物體局部結(jié)構(gòu)的性能變化。應(yīng)變能集中的區(qū)域，表示該區(qū)域的剛度不足，有優(yōu)化空間。傳統(tǒng)優(yōu)化方式是根據(jù)工程師設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)找其薄弱區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，從而達(dá)到模態(tài)優(yōu)化的目的[6]。而根據(jù)應(yīng)變能可以準(zhǔn)確找到結(jié)構(gòu)中吸收和儲(chǔ)存能量最大的區(qū)域以及整體結(jié)構(gòu)中能量分布，從而可以“對(duì)癥下藥”，極大提高優(yōu)化效率。

為獲得應(yīng)變能圖，需在上文模態(tài)分析基礎(chǔ)上增加應(yīng)變能（ESE）的輸出結(jié)果。如圖3所示。

圖3 應(yīng)變能輸出設(shè)置

提交Nastran求解器計(jì)算后獲得影響前門內(nèi)板模態(tài)的關(guān)鍵區(qū)域如圖4所示。

圖4 一階內(nèi)板模態(tài)應(yīng)變能圖

由圖4可以看出，在前門一階內(nèi)板模態(tài)頻率下的內(nèi)板各區(qū)域應(yīng)變能情況。應(yīng)變能較大的區(qū)域主要在a、b、c、d所示位置，可針對(duì)此關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提高一階內(nèi)板頻率。

4.2 優(yōu)化方案

根據(jù)圖4，a處由于搖窗電機(jī)限制，無(wú)法調(diào)整結(jié)構(gòu)，故分別在b、c、d處進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改，通過(guò)加強(qiáng)筋達(dá)到局部加強(qiáng)的效果。優(yōu)化方案如圖5—圖7所示，左側(cè)為優(yōu)化前結(jié)構(gòu)，右側(cè)為各區(qū)域優(yōu)化后結(jié)構(gòu)。

圖5 b處優(yōu)化方案

圖6 c處優(yōu)化方案

圖7 d處優(yōu)化方案

如圖5—圖7所示，分別在1—6處相應(yīng)位置增加寬16 mm、高4 mm的特征筋；在7處增大此區(qū)域鈑金面積；在8處區(qū)域下凹5 mm。以提高關(guān)鍵區(qū)域強(qiáng)度。

圖8 優(yōu)化后一階內(nèi)板模態(tài)振型

4.3 優(yōu)化結(jié)果

基于如上優(yōu)化方案，進(jìn)行模態(tài)分析。如圖8所示，獲得前門內(nèi)板一階模態(tài)頻率為29.21 Hz，優(yōu)化方案滿足要求（>29 Hz）。

優(yōu)化前后模態(tài)對(duì)比如表3所示，車門內(nèi)板模態(tài)提高2.78 Hz，優(yōu)化了10.52%。

表3 優(yōu)化前后對(duì)比

5 工程實(shí)施及對(duì)標(biāo)

樣車出來(lái)后，對(duì)優(yōu)化后的車門實(shí)車樣件進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，在車門上安裝傳感器，使用力錘法進(jìn)行單點(diǎn)激勵(lì)，獲得各傳感器的響應(yīng)，對(duì)獲取數(shù)據(jù)使用頻響函數(shù)進(jìn)行處理，獲得其各階頻率及振型。如圖9所示。

圖9 前門第一階測(cè)試振型

將實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其誤差為0.34%，小于5%，仿真精度較高。證明基于應(yīng)變能提出的方案在工程中應(yīng)用效果較好，能夠滿足企業(yè)要求。

表4 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)論

通過(guò)建立有限元模型，對(duì)車門系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，提前識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，并基于應(yīng)變能的模態(tài)優(yōu)化方法，快速識(shí)別出結(jié)構(gòu)中影響模態(tài)性能的關(guān)鍵區(qū)域，結(jié)合制造可行性對(duì)識(shí)別出的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。最后對(duì)優(yōu)化后的車門進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)試結(jié)果與CAE分析結(jié)果誤差較小，說(shuō)明本文所描述的方法是行之有效的。

[1] 唐寶安,劉春輝,宋雨童.中國(guó)農(nóng)村皮卡市場(chǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析[J].專用汽車,2021(11):33-38.

[2] 劉鋒,張瑞乾,陳勇.基于模態(tài)和剛度的車門輕量化研究[J].機(jī)械強(qiáng)度,2021,43(2):476-481.

[3] 郭澤宇.材料軸向拉伸或壓縮應(yīng)變能的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī),2020,51(10):205-206.

[4] 周計(jì)祥,吳邵慶,董萼良,等.基于應(yīng)變模態(tài)的模態(tài)應(yīng)變能損傷識(shí)別方法[J].振動(dòng)測(cè)試與診斷,2019,39(1): 25-31,218-219.

[5] 劉義,許志沛.機(jī)械設(shè)計(jì)中基于有限元方法的模態(tài)分析[J].機(jī)械,2003(S1):96-98.

[6] 王子斌,郭勤濤.基于模態(tài)應(yīng)變能的損傷追蹤及程度識(shí)別方法研究[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2019,48(1): 104-107,44.

Modal Analysis and Optimization of Front Door of Pickup Truck

YU Daxiang, LIU Yunfang

( Jiangling Motors Company Limited, Nanchang 330052, China )

Aiming at the problem that the front door modal of pickup truck is not up to standard, finite element method combined with strain energy (ESE) is used to carry out modal optimization. Through simulation and real vehicle verification, the proposed optimization scheme can meet the requirements of the enterprise on the premise of no weight gain. It shows that the optimization method based on ESE is more efficient and effective than the traditional optimization method based on engineer's experience, which provides a certain reference for similar engineering optimization problems.

Pickup truck; Front door; Inner plate modal; Optimization method; Strain energy;Finite element method;Modal optimization

U463.8

B

1671-7988(2022)23-114-04

U463.8

B

1671-7988(2022)23-114-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.021

俞大象（1981—），男，工程師，研究方向?yàn)檎囋煨涂尚行?，E-mail:dyu2@jmc.com.cn。