基于模態(tài)應(yīng)變能分析的車輛后門內(nèi)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

摘 要：本文針對(duì)開發(fā)車型后門內(nèi)板局部模態(tài)頻率未達(dá)到參考車型問題，通過模態(tài)應(yīng)變能分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提升內(nèi)板局部模態(tài)頻率。首先，通過HyperMesh建立后門鈑金結(jié)構(gòu)有限元模型并進(jìn)行模態(tài)分析，識(shí)別模態(tài)發(fā)現(xiàn)內(nèi)板局部模態(tài)未達(dá)標(biāo)；然后，進(jìn)行模態(tài)應(yīng)變能分析找出內(nèi)板局部模態(tài)薄弱點(diǎn)；最后，結(jié)合內(nèi)板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)剛度不足的地方，提升內(nèi)板局部模態(tài)頻率。研究結(jié)果表明，基于模態(tài)應(yīng)變能分析方法針對(duì)應(yīng)變能集中位置補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)能夠有效地提升后門對(duì)應(yīng)模態(tài)頻率，提升后門動(dòng)態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：后門內(nèi)板 局部模態(tài) 模態(tài)應(yīng)變能 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

車門系統(tǒng)是整車的重要組成部分，其模態(tài)性能好壞直接影響整車NVH性能，而整車NVH性能又是衡量整車乘坐舒適性的重要指標(biāo)。因此，車門模態(tài)性能對(duì)乘客乘坐舒適性的主觀感受有重要影響。車門模態(tài)如果與車輛發(fā)動(dòng)機(jī)或行駛路面激勵(lì)頻率耦合，那么可能引起共振放大鈑金振幅導(dǎo)致轟鳴或異響。

王正興等通過有限元方法對(duì)揚(yáng)聲器盆架進(jìn)行模態(tài)及諧響應(yīng)分析，在其低頻模態(tài)應(yīng)變能集中位置進(jìn)行優(yōu)化，使揚(yáng)聲器盆架一階模態(tài)頻率由547.3Hz提高至1031.6Hz，且模態(tài)應(yīng)變能趨于均勻分布，以減小振動(dòng)對(duì)揚(yáng)聲器帶來的危害[1]。金棟等針對(duì)因與尾門30Hz呼吸及外板中間模態(tài)耦合共振引起的某SUV車型車內(nèi)低頻轟鳴聲問題，通過尾門30Hz模態(tài)振型分析確定在尾門內(nèi)外鈑金之間加裝一種復(fù)合材料制成的支架，提高尾門結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，使工況測(cè)試的關(guān)鍵峰值30Hz附近聲壓級(jí)下降5dB，經(jīng)評(píng)估主觀可接受[2]。俞大象等針對(duì)皮卡前門模態(tài)不達(dá)標(biāo)的問題，建立有限元模型進(jìn)行分析，采用模態(tài)應(yīng)變能分析方法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，經(jīng)優(yōu)化的車門內(nèi)板模態(tài)提高了2.78 Hz，滿足目標(biāo)要求[3]。劉鋒等以某車型左前車門為研究對(duì)象，模態(tài)、剛度作為約束條件，厚度作為設(shè)計(jì)變量，質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行車門結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的車門質(zhì)量下降了6.01%[4]。殷曉偉等采用HyperStudy 軟件對(duì)某汽車后門模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度和下垂剛度進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，經(jīng)優(yōu)化后汽車后門扭轉(zhuǎn)模態(tài)提高了2.03Hz，扭轉(zhuǎn)剛度的加載點(diǎn)位移從5.863mm 降低到了5.126mm，下垂剛度的加載點(diǎn)位移的絕對(duì)值從2.588mm降低到了2.534mm，后門質(zhì)量?jī)H增加了0.02kg[5]。李華清等以地板振動(dòng)傳遞函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)對(duì)地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行形貌優(yōu)化，峰值優(yōu)化最高達(dá)44.1%[6]。

以上研究通過模態(tài)應(yīng)變能分析、模態(tài)振型分析、形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)各類機(jī)械器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)成降低振動(dòng)振幅提升機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲性能的目的。另外，還通過建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型以質(zhì)量為約束條件優(yōu)化模態(tài)，或者以模態(tài)為約束條件優(yōu)化質(zhì)量。本文基于模態(tài)應(yīng)變能分析方法對(duì)車輛后門結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到參考車型對(duì)應(yīng)模態(tài)頻率目標(biāo)值。

1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

在車輛NVH性能分析中，模態(tài)分析是常用的研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的一種方法，是車門性能分析的一項(xiàng)重要分析項(xiàng)。計(jì)算結(jié)構(gòu)件自由模態(tài)時(shí)，首先建立多自由度系統(tǒng)振動(dòng)微分方程如下式。

式中：M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，X為位移向量。

實(shí)際計(jì)算中，由于阻尼矩陣C對(duì)固有頻率和振型的影響較小，故忽略不計(jì)，式（1）可簡(jiǎn)化為

解式（2）即可得固有角頻率ω和振型X。

從模態(tài)固有角頻率和振型中，難以得出結(jié)構(gòu)中剛度相對(duì)薄弱的位置。因此，需要結(jié)合使用模態(tài)應(yīng)變能分布來判斷對(duì)應(yīng)模態(tài)振型中吸收能量最集中的位置，也就是能夠進(jìn)行優(yōu)化提升模態(tài)固有角頻率的地方。單元模態(tài)應(yīng)變能計(jì)算公式如下式所示。

式中：為單元應(yīng)變能，為單元?jiǎng)偠染仃?，為單元位移向量?/p>

從上式可見，單元模態(tài)應(yīng)變能越高，局部位移越大，結(jié)構(gòu)剛度就越低。因此，結(jié)構(gòu)某階模態(tài)振型局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)變能集中的情況表明此處剛度的不足，受外界激勵(lì)時(shí)更容易被破壞。進(jìn)行模態(tài)優(yōu)化時(shí)，就是要加強(qiáng)這些局部剛度不足的地方。

2 后門模態(tài)分析

2.1 后門模型建立

后門主要由內(nèi)、外鈑金件組成，將后門3D模型導(dǎo)入HyperMesh后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分過程會(huì)忽略一些小的幾何細(xì)節(jié)，比如尺寸較小的圓孔、倒角倒圓、螺栓螺帽等，因?yàn)檫@些幾何特征對(duì)模態(tài)分析結(jié)果的影響較小。結(jié)構(gòu)建模過程中鈑金網(wǎng)格尺寸為5mm×5mm；焊點(diǎn)使用ACM單元模擬，并賦予相應(yīng)焊點(diǎn)屬性；焊縫使用PENTA單元模擬，并賦予相應(yīng)的焊縫屬性；粘膠使用ADHESIVES單元模擬，并賦予相應(yīng)的粘膠屬性。對(duì)后門進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖1所示。

2.2 后門模態(tài)分析

模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都有特定的頻率和振型。對(duì)于后門，主要識(shí)別其一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)、一階彎曲模態(tài)、內(nèi)板局部模態(tài)和外板局部模態(tài)四個(gè)模態(tài)。對(duì)照參考車型后門四個(gè)模態(tài)頻率，只有內(nèi)板局部模態(tài)頻率44.4Hz沒有達(dá)到參考車型對(duì)應(yīng)模態(tài)值48Hz。識(shí)別出來的內(nèi)板局部模態(tài)振型如圖2所示，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變能云圖如圖3所示。由圖2可知，后門內(nèi)板因?yàn)橹虚g部位掏了一個(gè)不規(guī)則五邊形大孔，大大削弱了內(nèi)板局部剛度，導(dǎo)致內(nèi)板局部模態(tài)頻率偏低，出現(xiàn)振幅峰值。

優(yōu)化前后門內(nèi)板局部模態(tài)應(yīng)變能云圖3表明，模態(tài)應(yīng)變能集中部位一部分沿內(nèi)板中間不規(guī)則五邊形大孔和另一個(gè)圓形小孔周圍臺(tái)階分布，另一部分沿后門內(nèi)板邊緣開合側(cè)大臺(tái)階分布，還有一部分集中在玻璃三角窗框靠門鎖的角處。這些部位要么是各鈑金結(jié)構(gòu)搭接部位，要么是鈑金拓?fù)湫螤畎l(fā)生突變的位置，后續(xù)優(yōu)化就是要從這三處入手進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)以提高后門內(nèi)板局部模態(tài)剛度。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

依據(jù)后門內(nèi)板局部模態(tài)應(yīng)變能云圖3，并結(jié)合后門內(nèi)板局部模態(tài)振型云圖2及后門鈑金結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)模態(tài)應(yīng)變能集中的位置主要有3處，分別為后門內(nèi)外鈑金與三角玻璃窗框架搭接部位①、后門內(nèi)板鈑金沿玻璃窗框下邊緣加強(qiáng)橫梁靠近門把手側(cè)最高臺(tái)階處②，和后門內(nèi)板鈑金在玻璃升降導(dǎo)軌底端靠近后門圓弧拐點(diǎn)位置最高凸起部位③，如圖3中紅色方框所圈處。針對(duì)后門內(nèi)板鈑金應(yīng)力集中①處，在外板鈑金和門框搭接部位增加1條焊縫，如圖4（a）所示；對(duì)于應(yīng)力集中②處，延伸玻璃窗框下邊加強(qiáng)橫梁與內(nèi)板鈑金之間增大搭接面，如圖4（b）所示；在應(yīng)力集中③處，增加連接件將玻璃導(dǎo)軌和外板支撐梁連接起來，如圖4（c）所示。

將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的后門鈑金有限元模型提交Optistruct求解器計(jì)算，結(jié)果顯示優(yōu)化后的后門內(nèi)板局部模態(tài)頻率為48.4Hz，相比較優(yōu)化前提高了4Hz，達(dá)到參考車型內(nèi)板局部模態(tài)頻率值，如圖5所示。相比較優(yōu)化前的后門內(nèi)板局部模態(tài)頻率及振型云圖，優(yōu)化后的模態(tài)頻率大幅提升，振型云圖振動(dòng)范圍明顯縮小，表明內(nèi)板局部模態(tài)剛度薄弱處經(jīng)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后得到有效改善。

4 結(jié)論

整車研發(fā)過程中，車門模態(tài)性能對(duì)于整車NVH性能提升有重要作用。本文通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)后門內(nèi)板局部模態(tài)頻率未能達(dá)到參考車型對(duì)應(yīng)值，故使用模態(tài)應(yīng)變能分析影響后門內(nèi)板模態(tài)的關(guān)鍵部位。在確定后門內(nèi)板鈑金局部剛度薄弱處后，結(jié)合該處鈑金結(jié)構(gòu)特性提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，最終達(dá)成優(yōu)化目標(biāo)。研究結(jié)果表明，基于模態(tài)應(yīng)變能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法能有效應(yīng)用于后門內(nèi)板鈑金模態(tài)頻率提升。

參考文獻(xiàn)

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