車身NVH分析實(shí)例

1、.車身結(jié)構(gòu)模態(tài)分析作者：王子劍    文章來(lái)源：江西昌河汽車股份有限公司    點(diǎn)擊數(shù)：100    更新時(shí)間：2008-8-5對(duì)白車身結(jié)構(gòu)的靈敏度的分析是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改的有效方法，不僅提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率，而且減少了設(shè)計(jì)變更的盲目性和設(shè)計(jì)成本。為整車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了明確的指導(dǎo)方向。有限單元法的實(shí)質(zhì)是把具有無(wú)限多個(gè)自由度的彈性連續(xù)體，理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使問(wèn)題簡(jiǎn)化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問(wèn)題。因此，只要研究并確定有限大小單元的力學(xué)特性，就可以根

2、據(jù)結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。有限元法以離散、逼近的靈活算法，廣泛地應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。隨著電子計(jì)算機(jī)功能提高、使用普及和通用性較強(qiáng)的商業(yè)化軟件的大量應(yīng)用，有限元法已經(jīng)成為一種常用的車身結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法。為了在汽車結(jié)構(gòu)中避免共振，降低噪聲，確保安全可靠、提高行駛平順性，可通過(guò)有限元法計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率及其相應(yīng)的振型，即模態(tài)分析。模態(tài)分析在汽車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用1.模態(tài)分析的重要性汽車車身結(jié)構(gòu)本身是一個(gè)無(wú)限多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，在外界的時(shí)變激勵(lì)作用下將產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)外界激振頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，將產(chǎn)生共振。共振不僅使汽車乘員感到不舒服，帶來(lái)噪聲和部件的早期疲勞損壞，還會(huì)破壞車身

3、表面的保護(hù)層和車身的密封性，從而削弱了汽車車身結(jié)構(gòu)抗腐蝕性能。車身作為一個(gè)多自由度的彈性系統(tǒng)，其固有振動(dòng)頻率也就相應(yīng)表現(xiàn)為無(wú)限多的固有模態(tài)，其低階模態(tài)振型多為整體振型，如整體扭轉(zhuǎn)、彎曲振型，高階模態(tài)振型多為一些局部共振振型，如地板振型、車頂振型和側(cè)圍外板振型等。有時(shí)，由于車身的局部剛度低，也有一些局部振型在低頻范圍出現(xiàn)，或與整車振型同時(shí)出現(xiàn)。合理的車身模態(tài)分布對(duì)提高整車的可靠性和NVH性能等有著十分重要的意義。2.應(yīng)用現(xiàn)狀汽車模態(tài)分析目前劃分為幾個(gè)層次：零部件模態(tài)、白車身模態(tài)、Trimmed Body模態(tài)和整車模態(tài)（含發(fā)動(dòng)機(jī)）。隨著這些層次的逐步提高，分析涵蓋的范圍越來(lái)越大，復(fù)雜程度和困難度也

4、越來(lái)越大，分析成本也在逐漸提高。白車身模態(tài)分析是研究車身結(jié)構(gòu)NVH性能的最簡(jiǎn)單方法之一，由于Trimmed Body模態(tài)性能可以讓我們指導(dǎo)汽車結(jié)構(gòu)在路面上引起共鳴的頻率，因此它更有意義。所謂Trimmed Body模態(tài)，即帶附件的白車身，它是在白車身上安裝了門、轉(zhuǎn)向管柱、座椅、油箱和內(nèi)飾件等零部件后，形成的車身體。由于安裝在白車身上的附件質(zhì)量增加很多，但對(duì)車身結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小，因此，Trimmed Body模態(tài)幾乎總是略低于白車身模態(tài)。一般情況下，Trimmed Body模態(tài)相對(duì)白車身模態(tài)下降510Hz，然而具體下降幅度跟具體的車型和模態(tài)形式有關(guān)，表1所示為龐蒂克Aztec的模態(tài)性能

5、對(duì)比。子系統(tǒng)共振模態(tài)，例如Trimmed Body、懸架和行駛系等，應(yīng)該在各自的頻率區(qū)域沒(méi)有共振。如果我們能將模態(tài)交互的風(fēng)險(xiǎn)降到最小，則子系統(tǒng)之間不會(huì)互相激勵(lì)。實(shí)際上，我們很難達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，很多汽車的子系統(tǒng)之間有頻率重疊。圖1所示為汽車各部分的典型模態(tài)數(shù)值范圍。從圖1中可以看出，通過(guò)提高白車身模態(tài)，我們可以提高Trimmed Body的最低模態(tài)，使它高于懸架系統(tǒng)的最高頻率。而其他激勵(lì)如發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和轉(zhuǎn)向管柱振動(dòng)都有較高的固有頻率。因此，如何確保Trimmed Body的頻率同這些頻率隔離也非常重要。實(shí)施Trimmed Body模態(tài)分析可以預(yù)測(cè)和防止頻率重疊。 圖1  汽車各部

6、分的典型模態(tài)數(shù)值范圍 創(chuàng)建Trimmed Body模型需要大量信息，除了白車身以外，我們還需要以下零部件的大量精確的質(zhì)量信息：內(nèi)飾板和地毯；轉(zhuǎn)向管柱相關(guān)組件；儀表板（含收放機(jī)等附件）；座椅質(zhì)量和重心。為了精確分析，我們還必須知道零部件的固有頻率。有了這些信息，我們可以調(diào)整Trimmed Body模態(tài)，保證不與具體零部件發(fā)生共振。一般我們?cè)陂_(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)型車時(shí)，從節(jié)約開(kāi)發(fā)成本的角度出發(fā)，模態(tài)分析僅僅針對(duì)白車身結(jié)構(gòu)。3.模態(tài)分析評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定方法通過(guò)選擇一些典型車型的模態(tài)性能分析數(shù)據(jù)，并進(jìn)行縱向?qū)Ρ群蜋M向?qū)Ρ?，統(tǒng)計(jì)出模態(tài)性能主要指標(biāo)箱形振動(dòng)、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)、一階彎曲模態(tài)、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的常見(jiàn)

7、范圍，最后根據(jù)白車身主要激勵(lì)源分析和同類車型橫向?qū)Ρ葦?shù)值確定了模態(tài)性能預(yù)定指標(biāo)。整個(gè)分析過(guò)程表明，指標(biāo)的確定是合理的和應(yīng)當(dāng)達(dá)到的，也只有這樣才能保證整車的NVH性能。這些指標(biāo)將作為今后車身結(jié)構(gòu)CAE分析的指導(dǎo)性目標(biāo)。  應(yīng)用案例白車身是小型貨車的關(guān)鍵總成，它是容納駕駛員、乘客和貨物的場(chǎng)所，車身應(yīng)對(duì)駕駛員提供舒適的工作環(huán)境，為乘客提供舒適的乘坐條件。消除駕駛員和乘客在汽車行駛中受到振動(dòng)、噪聲等的帶來(lái)的危害，并保證完好無(wú)損地運(yùn)載貨物。車身的結(jié)構(gòu)既決定整車的外形，又決定結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性。以下以CH1020型車白車身設(shè)計(jì)中的模態(tài)分析為例，主要流程如圖2所示。 圖2 

8、; 研究CH1020白車身結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性 1.有限元模型的建立（1）白車身模型的建立。采用CAD設(shè)計(jì)軟件CATIA，在白車身數(shù)?；A(chǔ)上采用Hypermesh建立有限元模型。在此期間，我們采用了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化措施：略去車門、貨箱等安裝件；略去了螺釘、螺母以及非重要結(jié)構(gòu)的小零件；對(duì)截面形狀做了簡(jiǎn)化處理（每塊板金件有限元模型只取CAD模型料厚方向上偏置料厚一半的面）；刪除了大部分結(jié)構(gòu)上半徑小于10mm的孔，以及對(duì)特性影響不大的圓角、臺(tái)階、凹槽和翻邊等。（2）白車身鏈接方式有很多，其中以點(diǎn)焊為主。在有限元模型中，焊點(diǎn)大小我們做如下處理：兩件有限元模型間距在0.51.0mm的取邊長(zhǎng)6.5mm的正方

9、形為一焊點(diǎn)；1.12.0mm的取7.0mm；2.13.0mm取7.5mm。其余焊接方式以剛性聯(lián)接方式連接。通過(guò)前處理軟件Hypermesh對(duì)白車身進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，從而將整車離散為250 650個(gè)節(jié)點(diǎn)，243 966個(gè)單元（采用三角形單元和四邊形單元），車身模型與有限元模型分別如圖3、圖4所示。 圖3  白車身模型  圖4  有限元模型 2.模態(tài)分析對(duì)白車身進(jìn)行自由模態(tài)分析，求得白車身的固有頻率和振型，從而了解白車身的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，是目前廣泛使用的一種方法。本文采用Nastran軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行求解，采用Hyperview軟件輸出

10、計(jì)算結(jié)果，按照固有頻率由小到大排列分為16階，固有頻率和振型的分析結(jié)果如表2所示。  其中整車Z向彎曲振型如圖5所示，整車Y向扭轉(zhuǎn)如圖6所示，整車X向扭轉(zhuǎn)如圖7所示。 圖5  Z向彎曲振型  圖6  Y向扭轉(zhuǎn)振型  圖7  X向彎曲振型  3.靈敏度分析車身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的評(píng)價(jià)要求是結(jié)構(gòu)的低階固有頻率即整車一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)的值應(yīng)當(dāng)高于懸架下結(jié)構(gòu)的固有頻率，而低于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的爆發(fā)頻率，以避免發(fā)生整車共振現(xiàn)象。CH1020使用的是4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速為800r/min，其爆發(fā)頻

11、率為26.67Hz。經(jīng)比較分析，整車Z向彎曲的頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的爆發(fā)頻率相差較大，應(yīng)予以適當(dāng)提高，但與其不能相等，否則將會(huì)產(chǎn)生共振。為避免結(jié)構(gòu)修改中的盲目性，提高設(shè)計(jì)效率及減少設(shè)計(jì)成本，故而需進(jìn)行結(jié)構(gòu)靈敏度分析。靈敏度是一個(gè)廣泛的概念，從數(shù)學(xué)意義上可以理解為：若一函數(shù)F(x)可導(dǎo)，則一階靈敏度可以表示為                         或&

12、#160;                                  ，前者稱為一階微分靈敏度，后者成為一階差分靈敏度，以殼單元的厚度為參數(shù)，對(duì)各階固有頻率進(jìn)行靈敏度分析，即固有頻率對(duì)殼單元厚度的靈敏度，其計(jì)算公式為： 式中：f 為固有頻率；h為殼單元

13、的厚度；為 的轉(zhuǎn)置，為單元的表面積；E為材料的彈性模量；為材料的密度；，為剛度矩陣中與 E和h無(wú)關(guān)的部分；是對(duì)應(yīng)厚度為h的單元 e的分量組成的特征向量；是24×24的矩陣，是質(zhì)量矩陣中與h無(wú)關(guān)的部分。靈敏度分析計(jì)算實(shí)際上是將變量變動(dòng)10，然后進(jìn)行求解，從而計(jì)算出變量變動(dòng)后的函數(shù)值的過(guò)程。本案例中，我們計(jì)算了車身主要結(jié)構(gòu)件厚度改變的前六階固有頻率和靈敏度，如表3和表4所示。    4.優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)靈敏度的計(jì)算結(jié)果可以看出，中縱梁對(duì)整車的一階彎曲固有頻率影響最大。因此，我們可以適當(dāng)?shù)馗淖冎锌v梁的厚度，以提高整車的一階、二階和三階固有頻率。例如，將一

14、階固有頻率增加0.4Hz，我們選擇影響最大的中縱梁來(lái)改變厚度，中縱梁其靈敏度為1 250Hz/m。我們用期待增加的值0.4Hz除以靈敏度1 250Hz/m，得到需要改變的厚度值0.32mm。因此，將中縱梁厚度變化到2.00.322.32mm就能使一階彎曲固有頻率增加0.4Hz。然而，中縱梁原始料厚就為2.0mm，若增加其厚度，既增加了產(chǎn)品的成本，又增加了加工工藝難度。因此，改變中縱梁厚度的方案是不可行的。靈敏度分析結(jié)果只是給我們提供了一個(gè)優(yōu)化方向和找出對(duì)整車固有頻率影響較大的零部件。因此，我們還可以改變?cè)摿悴考蛘吲c其相關(guān)的零部件的結(jié)構(gòu)（如延長(zhǎng)搭接邊、增加加強(qiáng)筋、翻邊等）方式來(lái)提高整車的固有頻率。根據(jù)CH1020型車實(shí)際情況，我們發(fā)現(xiàn)中縱梁延伸板設(shè)計(jì)偏短，不能與后縱梁蓋板相連接，造成中縱梁局部薄弱?，F(xiàn)將其延長(zhǎng)至靠近后縱梁的位置（圖8）。 圖8