束 元，周 毅，周 鋐

(同濟大學汽車學院，上海 201804)

0 引言

車身不但是直接向車內(nèi)輻射噪聲的響應(yīng)器，而且是傳遞各種振動、噪聲的重要途徑.車身為乘員提供了最基本的乘坐環(huán)境，駕駛員及乘員的各種NVH(Noise，Vibration，Harshness)感覺都與車身系統(tǒng)有著直接的聯(lián)系，車身NVH的特性對整車NVH水平有很大影響［1］.因此，車身系統(tǒng)在整車NVH特性的研究中占有很重要的地位.作為一個彈性系統(tǒng)，車身在外界的激勵作用下將會產(chǎn)生振動.當外界激振頻率與系統(tǒng)固有頻率較為接近時會產(chǎn)生共振，振動幅值會被放大.為了汽車獲得較好的NVH性能，在設(shè)計中需要注意分析其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性.

某客車在使用過程中發(fā)現(xiàn)有嚴重的共振現(xiàn)象和轟鳴聲，為此需要在研究其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性的基礎(chǔ)上改進其車身.

1 有限元模型建立

1.1 白車身有限元模型建立

白車身模型采用Hypermesh進行網(wǎng)格劃分，坐標系符合右手定則:以垂直向上為Z向，車輛前進方向反向為X向，Y軸指向前進方向的右側(cè).模型采用殼單元，包括了四邊形和三角形單元.殼單元建立車身模型具有精度高的特點，這主要是由于目前乘用車車身結(jié)構(gòu)以自重輕承載大的殼類結(jié)構(gòu)為主體，大部分構(gòu)建由鋼板沖壓而成，更符合有限元殼體單元力學特性.此外殼單元考慮了單元中間面上的平板剛度、彎曲剛度和曲率效應(yīng)，相比與板、梁單元計算精度更高.板筋件及其他連接件之間采用約束單元RBE模擬.白車身離散為50萬個單元，其中四邊形單元486856個，三角形單元8786個.板件結(jié)構(gòu)材料為鋼鐵，楊氏模量為2.1×1011Pa，密度 7800kg/m3，泊松比為 0.3.

計算模態(tài)選用Nastran求解器.MSC.NASTAN提供三類求解特征值的方法:

(1)跟蹤法

(2)變換法

(3)蘭索士法

對于這個模型，采用蘭索士法，這種方法對求解非常大的系數(shù)矩陣的特征值問題是最有效的［2］.

有限元模型中各部件約束關(guān)系是否正常，可以借助模態(tài)計算中前6階剛體模態(tài)判斷［3］.一般剛體模態(tài)頻率非常低，接近或等于0.白車身計算頻率范圍為0～250Hz.

有限元分析模態(tài)結(jié)果可靠性一般可以通過與試驗結(jié)果的對比分析的方法驗證.對模態(tài)而言，主要關(guān)心的問題是模態(tài)頻率和模態(tài)振型.表1列出了白車身前6階模態(tài)頻率與陣型描述.

表1 前6階模態(tài)頻率與陣型描述

1.2 模態(tài)試驗驗證

為了獲得白車身的振動參數(shù)，采用多點激勵多點拾振的方法進行白車身的模態(tài)實驗.試驗測量分析系統(tǒng)由三大部分組成:激振系統(tǒng)，響應(yīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，模態(tài)數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng).其中試驗激振系統(tǒng)包括:(1)LMS SCADASⅢ316的QDAC信號發(fā)生模塊、功率放大器和激振器;(2)響應(yīng)采集系統(tǒng)包括PCB模態(tài)加速度傳感器(靈敏度約為100g/mv)、力傳感器和LMS SCADASⅢ SC316W信號放大和智能采集系統(tǒng);(3)模態(tài)分析和處理系統(tǒng)主要是LMS Test.lab的模態(tài)分析模塊.具體的組成方式如圖1所示.

圖1 模態(tài)試驗分析系統(tǒng)模型

為了讓測量分析模態(tài)能夠更清楚全面地反映白車身的振型變化特點，測試點需要能夠反映被測部件的基本外形和特征，因此除3個激振點總共布置了249個測試點，對這些個測點分別進行x，y，z三個方向的加速度響應(yīng)信號的采集.在Testlab中完成測點模型的建立，以及實物結(jié)構(gòu)的測點布置.

被測白車身采用懸吊安裝方式，采用彈簧繩進行懸吊，彈簧繩的頻率為1～2Hz，根據(jù)經(jīng)驗這類白車身的一階彈性頻率約為15Hz，懸吊頻率小于一階彈性頻率的1/5，因此這種懸吊方式不會對結(jié)果產(chǎn)生影響.懸吊點位于前門拴及后車燈后部.為了避開車身振型的節(jié)線，將激勵點對角布置在車頭和車尾剛度較大處.實驗裝置如圖2所示.

圖2 白車身模態(tài)實驗裝置

實驗時，用隨機信號對結(jié)構(gòu)進行激勵，通過分析每個拾振點的響應(yīng)信號與輸入的激勵信號，可以獲得該點的頻響函數(shù).頻響函數(shù)中包含有全部的模態(tài)參數(shù)，使用Ploymax法提取這些模態(tài)參數(shù).

實驗獲得的白車身的各階模態(tài)頻率同有限元仿真結(jié)果比較見表2.

表2 白車身實驗結(jié)果同仿真結(jié)果比較

1.3 數(shù)據(jù)分析

從表2中可以看出，通過有限元建模仿真得到的模態(tài)參數(shù)與實驗獲得的數(shù)據(jù)十分接近，這說明建立的有限元模型能很好地反映白車身的振動特性.

此外，車身的第一階固有頻率過低，車身整體剛度低，且與后懸架簧下偏頻(空載13.223Hz，滿載13.909Hz)接近，易產(chǎn)生共振，容易引起車內(nèi)的振動噪聲.

2 改進措施

觀察分析白車身的模態(tài)振型后發(fā)現(xiàn)，其一階模態(tài)為整體扭轉(zhuǎn)，若要提高其第一階模態(tài)的頻率需要加強C柱，D柱以及后圍四角的結(jié)構(gòu).

2.1 鈑金件方案篩選

根據(jù)經(jīng)驗提出以下改進措施:

(1)后圍四角加強件加厚至2mm，增加新加強零件(厚度2.5mm)

(2)新側(cè)壁加支撐板(厚度1mm)

(3)C柱、D柱中間板由1.0mm加厚至1.2mm

(4)C柱增加加強板(1mm)

(5)D柱處加橫梁

(6)更換板件減震膠(彈性模量1000MPa)

為了控制成本，對上述6個改進措施進行了組合，并進行了仿真計算，得到改進效果如表3所示:

表3 各方案效果比較

具體部件結(jié)構(gòu)如下圖3，圖4所示:

圖3 鈑金件方案

圖4 后圍四角加厚

2.2 CBS件方案篩選

CBS結(jié)構(gòu)件是一種新型的結(jié)構(gòu)加強材料，該材料為發(fā)泡材料，施工在車身結(jié)構(gòu)件的空腔中，通過涂裝工序后發(fā)泡充滿空腔，起到提高剛度和強度的作用.該方案是在后門上方兩個頂角處及頂蓋橫梁上添加CBS結(jié)構(gòu)件，共提出了四種方案.

圖5 5種CBS件方案

表4為這4種方案的效果比較

表4 4種CBS件方案效果比較

綜合考慮上述計算結(jié)果，并考慮實際施工的可行性，最終方案確定為:后圍角部加強(鈑金件加厚，新增鈑金件，新增CBS材料)，D柱處加橫梁，C柱處加加強板，側(cè)壁加支撐板，更換外板隔振膠.

圖6 實車道路試驗噪聲對比

3 方案驗證

為了驗證改進方案的有效性，對改進后的白車身進行了模態(tài)實驗.實驗結(jié)果如表5所示:

表5 改進前后白車身模態(tài)頻率對比

改進后白車身第一階模態(tài)頻率從12.825Hz提高到了 14.9416Hz.

為了驗證結(jié)構(gòu)加強對整車NVH性能提升的效果還對整車進行了實車道路實驗，采集了每一排座椅的噪聲信號，作為比較對象.實驗結(jié)果如下圖所示:

從實驗結(jié)果中可以明顯看出，采用改進增強后的白車身，車內(nèi)噪聲在各個工況下得到明顯改善，車身加強效果明顯.

［1］周長路，范子杰，陳宗渝，桂良進.微型客車白車身模態(tài)分析［J］.汽車工程，2004，26(1):79 －80.

［2］高云凱，藍曉理.轎車車身模態(tài)修改靈敏度計算分析［J］.汽車工程，2001，23(5):353 －355.

［3］陳棟華，周鋐，易明.轎車車頭子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動力修改［J］.同濟大學學報，2004，32(4):513 －516.