王宏宇

摘 要：文章介紹了某SUV車型的白車身模態(tài)分析，并針對(duì)計(jì)算結(jié)果對(duì)車身結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行優(yōu)化，使整車剛度趨于合理。優(yōu)化結(jié)果顯示：優(yōu)化后結(jié)構(gòu)、剛度更加合理，并且一階扭轉(zhuǎn)提高了4HZ，車身重量減少1.5KG。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元分析

前言

現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，有限元分析得到了廣泛的運(yùn)用。車身作為汽車的關(guān)鍵總成，其力學(xué)特征對(duì)整車的動(dòng)力學(xué)特征起關(guān)鍵作用。車身模態(tài)分析則關(guān)系到整車剛度、常規(guī)震動(dòng)和車身減重。實(shí)踐證明對(duì)白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析可以提前發(fā)現(xiàn)、避免相關(guān)的設(shè)計(jì)缺陷，及時(shí)整改、優(yōu)化設(shè)計(jì)。從而縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用。

文章通過(guò)對(duì)白車身的模態(tài)分析對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得車身結(jié)構(gòu)局部模態(tài)和整體剛度特征滿足模態(tài)規(guī)劃要求。

1 有限元模型

有限元分析基本是利用一組離散化單元組集代替連續(xù)體機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，這種單元組集體稱結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。車身模型建立原則為能反映車身主要力學(xué)結(jié)構(gòu)特征和邊界約束條件，其次可考慮在保證正確性的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。模型建立過(guò)程需考慮：模型的簡(jiǎn)化、網(wǎng)絡(luò)劃分、材料屬性確定、單元選擇及模型的連接與裝配。為此對(duì)模型建立進(jìn)行了如下處理：

1.1 模型建立采用了基準(zhǔn)尺寸為10mm的QUASD4劃分SHELL單元，局部采用了大于3mm的小尺寸劃分，在非關(guān)鍵區(qū)域幾何過(guò)度區(qū)少量采用了TRIA3單元。TRIA3單元占總數(shù)的比率小于5%。

1.2 孔徑6mm～10mm，用方孔代替；孔徑大于10mm，保留孔，孔周圍兩圈偶數(shù)個(gè)單元，其他非重要小孔可忽略。

1.3 翻邊至少要?jiǎng)澐謨膳啪W(wǎng)格，圓角大于3mm可以保留，螺栓用RIGID或梁連接。

1.4 焊點(diǎn)采用CWELD/ACM單元，方向同連接殼單元法向量平行。焊縫則采用CQUAD4和CTRIA3模擬，對(duì)不考察局部應(yīng)力的情況下，有選擇性采用節(jié)點(diǎn)重合，并保證網(wǎng)絡(luò)的幾何匹配。

根據(jù)車身提供的數(shù)字模型，最終白車身帶玻璃有限元模型單元547，219，節(jié)點(diǎn)569，580個(gè)，見(jiàn)圖1。其中材料選擇見(jiàn)表1。

表1 材料屬性

2 模態(tài)分析

由于汽車上各個(gè)系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)，模態(tài)規(guī)劃就是界定各個(gè)系統(tǒng)頻率范圍的過(guò)程，防止產(chǎn)生共振并提高整車的剛度。車身作為人的載體，直接同人的感受相聯(lián)系，同時(shí)白車身的模態(tài)對(duì)車身的貢獻(xiàn)達(dá)到了60%以上，對(duì)白車身的模態(tài)分析則顯得至關(guān)重要。

汽車行駛時(shí)要承受各種外界和內(nèi)部的激勵(lì)源的激勵(lì)，圖2為激振傳遞圖。

四缸機(jī)750轉(zhuǎn)左右怠速下激振主頻率在25Hz和50Hz。額定功率行駛時(shí)5500*2/60=183 Hz。正常行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率源大于通常的整車模態(tài)，但怠速時(shí)激振頻率和白車身的低頻非常接近，怠速時(shí)容易引起車身共振[1]。

懸架的簧下質(zhì)量為簧上的1/5～1/10，輪胎剛度是懸架彈簧的5～10倍，所以簧下質(zhì)量的固有頻率比簧上要高5～10倍，bounce和pitch這兩個(gè)頻率一般控制在1Hz～2Hz， bounce比pitch要低1.2倍左右，這樣與步行時(shí)的頻率差不多，人體感覺(jué)在舒適范圍。輪胎不平衡引起的激勵(lì)，主要在11Hz以下。該激振較小，容易避免。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，汽車在正常路面以低于車速在150km/h速度行駛時(shí)，路面的激勵(lì)頻率低于21Hz，所以汽車車身的固有頻率需高于21Hz，最好不低于25Hz的激振頻率[2]。傳動(dòng)軸引起的激勵(lì)一般在40Hz以上，分量較小，對(duì)白車身的影響較小。方向盤一階模態(tài)在80Hz左右，縱向和橫向在35Hz左右。排氣系統(tǒng)一階垂向和橫向在24Hz左右。避免車廂空腔的低頻需避開(kāi)第一階空腔共鳴頻率，該類型車型帶座椅的一階頻率一般在50～70Hz。車身壁板的結(jié)構(gòu)模態(tài)則要避免與車廂的聲學(xué)模態(tài)耦合。

汽車的振動(dòng)是各階模態(tài)振動(dòng)的綜合表現(xiàn)。前幾階的整體模態(tài)起主要作用。從上述分析可以得出，主要的激勵(lì)來(lái)自路面對(duì)車輪的沖擊和發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。在設(shè)計(jì)汽車時(shí)，車身的固有頻率應(yīng)有效避免相關(guān)的激振頻率，提高整車的舒適性及疲勞壽命。通常，Trimmed Body模態(tài)相對(duì)白車身模態(tài)下降5～10Hz。承載式車身的彎曲剛度一般高于扭轉(zhuǎn)剛度，要求之間能分開(kāi)3Hz以上。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

為避免相連系統(tǒng)出現(xiàn)共振，整車制定了車型頻率規(guī)劃。對(duì)白車身確定了如下標(biāo)準(zhǔn)：局部模態(tài)要求大于40Hz，第一階扭轉(zhuǎn)要求大于30Hz，第一階彎曲要求大于40Hz。通過(guò)計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)第一階扭轉(zhuǎn)小于30Hz，不滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)D柱下加強(qiáng)板有優(yōu)化空間，后背門上部局部模態(tài)不夠理想，因此在結(jié)構(gòu)整改中，對(duì)相關(guān)的零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 模態(tài)優(yōu)化措施

模態(tài)改進(jìn)則本質(zhì)是增加其自身剛度，改變其固有頻率分布，使質(zhì)量分布更合理。

本次改進(jìn)主要采用的方法為：

（1）重要接頭處加強(qiáng)焊接及合理設(shè)置加強(qiáng)筋，提高整體剛度。

（2）提升靈敏度較高的零件料厚，對(duì)靈敏度較低的零件采用降低料厚、挖孔或取消這類零件。重要接頭處加強(qiáng)焊接及合理設(shè)置加強(qiáng)筋，提高整體剛度。

（3）優(yōu)化傳力路線，減少應(yīng)力集中，改善應(yīng)力分布。

除上述方法外，模態(tài)改進(jìn)還可采用涂覆隔振板，激光拼焊，采用超輕鋼、鋁、塑料等材料等。表3為根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后結(jié)果。

通過(guò)模態(tài)分析的應(yīng)力應(yīng)變分布圖，發(fā)現(xiàn)D柱下加強(qiáng)板的剛度貢獻(xiàn)值較小，而該件重量卻很大，考慮質(zhì)量分布和剛度的關(guān)系，決定取消該件，將減少的重量應(yīng)用到剛度貢獻(xiàn)更大的零件上。對(duì)上接頭應(yīng)力集中處優(yōu)化了傳力路徑，模態(tài)提高了1.27Hz。另外，對(duì)上接頭局部、輪罩撐板、小隔板處利用較小質(zhì)量的加強(qiáng)板進(jìn)行了局部加強(qiáng)。

根據(jù)零件的料厚靈敏度有針對(duì)性增加了靈敏度0.45以上的相應(yīng)零件的料厚，表4，表5，以達(dá)到改善模態(tài)的效果。

表4 高靈敏度零件

表5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)質(zhì)量和頻率影響結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

文章以某SUV改進(jìn)項(xiàng)目為例，通過(guò)建立整車結(jié)構(gòu)有限元模型，幫助在改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中找出對(duì)整車模態(tài)影響的關(guān)鍵零部件及相應(yīng)模態(tài)靈敏度，并對(duì)靈敏度較高的零件進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。優(yōu)化后白車身質(zhì)量減少了1.5KG，一階扭轉(zhuǎn)提高了4HZ，滿足了項(xiàng)目對(duì)白車身模態(tài)的改進(jìn)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]傅志方，華宏星，模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

摘 要：文章介紹了某SUV車型的白車身模態(tài)分析，并針對(duì)計(jì)算結(jié)果對(duì)車身結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行優(yōu)化，使整車剛度趨于合理。優(yōu)化結(jié)果顯示：優(yōu)化后結(jié)構(gòu)、剛度更加合理，并且一階扭轉(zhuǎn)提高了4HZ，車身重量減少1.5KG。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元分析

前言

現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，有限元分析得到了廣泛的運(yùn)用。車身作為汽車的關(guān)鍵總成，其力學(xué)特征對(duì)整車的動(dòng)力學(xué)特征起關(guān)鍵作用。車身模態(tài)分析則關(guān)系到整車剛度、常規(guī)震動(dòng)和車身減重。實(shí)踐證明對(duì)白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析可以提前發(fā)現(xiàn)、避免相關(guān)的設(shè)計(jì)缺陷，及時(shí)整改、優(yōu)化設(shè)計(jì)。從而縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用。

文章通過(guò)對(duì)白車身的模態(tài)分析對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得車身結(jié)構(gòu)局部模態(tài)和整體剛度特征滿足模態(tài)規(guī)劃要求。

1 有限元模型

有限元分析基本是利用一組離散化單元組集代替連續(xù)體機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，這種單元組集體稱結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。車身模型建立原則為能反映車身主要力學(xué)結(jié)構(gòu)特征和邊界約束條件，其次可考慮在保證正確性的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。模型建立過(guò)程需考慮：模型的簡(jiǎn)化、網(wǎng)絡(luò)劃分、材料屬性確定、單元選擇及模型的連接與裝配。為此對(duì)模型建立進(jìn)行了如下處理：

1.1 模型建立采用了基準(zhǔn)尺寸為10mm的QUASD4劃分SHELL單元，局部采用了大于3mm的小尺寸劃分，在非關(guān)鍵區(qū)域幾何過(guò)度區(qū)少量采用了TRIA3單元。TRIA3單元占總數(shù)的比率小于5%。

1.2 孔徑6mm～10mm，用方孔代替；孔徑大于10mm，保留孔，孔周圍兩圈偶數(shù)個(gè)單元，其他非重要小孔可忽略。

1.3 翻邊至少要?jiǎng)澐謨膳啪W(wǎng)格，圓角大于3mm可以保留，螺栓用RIGID或梁連接。

1.4 焊點(diǎn)采用CWELD/ACM單元，方向同連接殼單元法向量平行。焊縫則采用CQUAD4和CTRIA3模擬，對(duì)不考察局部應(yīng)力的情況下，有選擇性采用節(jié)點(diǎn)重合，并保證網(wǎng)絡(luò)的幾何匹配。

根據(jù)車身提供的數(shù)字模型，最終白車身帶玻璃有限元模型單元547，219，節(jié)點(diǎn)569，580個(gè)，見(jiàn)圖1。其中材料選擇見(jiàn)表1。

表1 材料屬性

2 模態(tài)分析

由于汽車上各個(gè)系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)，模態(tài)規(guī)劃就是界定各個(gè)系統(tǒng)頻率范圍的過(guò)程，防止產(chǎn)生共振并提高整車的剛度。車身作為人的載體，直接同人的感受相聯(lián)系，同時(shí)白車身的模態(tài)對(duì)車身的貢獻(xiàn)達(dá)到了60%以上，對(duì)白車身的模態(tài)分析則顯得至關(guān)重要。

汽車行駛時(shí)要承受各種外界和內(nèi)部的激勵(lì)源的激勵(lì)，圖2為激振傳遞圖。

四缸機(jī)750轉(zhuǎn)左右怠速下激振主頻率在25Hz和50Hz。額定功率行駛時(shí)5500*2/60=183 Hz。正常行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率源大于通常的整車模態(tài)，但怠速時(shí)激振頻率和白車身的低頻非常接近，怠速時(shí)容易引起車身共振[1]。

懸架的簧下質(zhì)量為簧上的1/5～1/10，輪胎剛度是懸架彈簧的5～10倍，所以簧下質(zhì)量的固有頻率比簧上要高5～10倍，bounce和pitch這兩個(gè)頻率一般控制在1Hz～2Hz， bounce比pitch要低1.2倍左右，這樣與步行時(shí)的頻率差不多，人體感覺(jué)在舒適范圍。輪胎不平衡引起的激勵(lì)，主要在11Hz以下。該激振較小，容易避免。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，汽車在正常路面以低于車速在150km/h速度行駛時(shí)，路面的激勵(lì)頻率低于21Hz，所以汽車車身的固有頻率需高于21Hz，最好不低于25Hz的激振頻率[2]。傳動(dòng)軸引起的激勵(lì)一般在40Hz以上，分量較小，對(duì)白車身的影響較小。方向盤一階模態(tài)在80Hz左右，縱向和橫向在35Hz左右。排氣系統(tǒng)一階垂向和橫向在24Hz左右。避免車廂空腔的低頻需避開(kāi)第一階空腔共鳴頻率，該類型車型帶座椅的一階頻率一般在50～70Hz。車身壁板的結(jié)構(gòu)模態(tài)則要避免與車廂的聲學(xué)模態(tài)耦合。

汽車的振動(dòng)是各階模態(tài)振動(dòng)的綜合表現(xiàn)。前幾階的整體模態(tài)起主要作用。從上述分析可以得出，主要的激勵(lì)來(lái)自路面對(duì)車輪的沖擊和發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。在設(shè)計(jì)汽車時(shí)，車身的固有頻率應(yīng)有效避免相關(guān)的激振頻率，提高整車的舒適性及疲勞壽命。通常，Trimmed Body模態(tài)相對(duì)白車身模態(tài)下降5～10Hz。承載式車身的彎曲剛度一般高于扭轉(zhuǎn)剛度，要求之間能分開(kāi)3Hz以上。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

為避免相連系統(tǒng)出現(xiàn)共振，整車制定了車型頻率規(guī)劃。對(duì)白車身確定了如下標(biāo)準(zhǔn)：局部模態(tài)要求大于40Hz，第一階扭轉(zhuǎn)要求大于30Hz，第一階彎曲要求大于40Hz。通過(guò)計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)第一階扭轉(zhuǎn)小于30Hz，不滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)D柱下加強(qiáng)板有優(yōu)化空間，后背門上部局部模態(tài)不夠理想，因此在結(jié)構(gòu)整改中，對(duì)相關(guān)的零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 模態(tài)優(yōu)化措施

模態(tài)改進(jìn)則本質(zhì)是增加其自身剛度，改變其固有頻率分布，使質(zhì)量分布更合理。

本次改進(jìn)主要采用的方法為：

（1）重要接頭處加強(qiáng)焊接及合理設(shè)置加強(qiáng)筋，提高整體剛度。

（2）提升靈敏度較高的零件料厚，對(duì)靈敏度較低的零件采用降低料厚、挖孔或取消這類零件。重要接頭處加強(qiáng)焊接及合理設(shè)置加強(qiáng)筋，提高整體剛度。

（3）優(yōu)化傳力路線，減少應(yīng)力集中，改善應(yīng)力分布。

除上述方法外，模態(tài)改進(jìn)還可采用涂覆隔振板，激光拼焊，采用超輕鋼、鋁、塑料等材料等。表3為根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后結(jié)果。

通過(guò)模態(tài)分析的應(yīng)力應(yīng)變分布圖，發(fā)現(xiàn)D柱下加強(qiáng)板的剛度貢獻(xiàn)值較小，而該件重量卻很大，考慮質(zhì)量分布和剛度的關(guān)系，決定取消該件，將減少的重量應(yīng)用到剛度貢獻(xiàn)更大的零件上。對(duì)上接頭應(yīng)力集中處優(yōu)化了傳力路徑，模態(tài)提高了1.27Hz。另外，對(duì)上接頭局部、輪罩撐板、小隔板處利用較小質(zhì)量的加強(qiáng)板進(jìn)行了局部加強(qiáng)。

根據(jù)零件的料厚靈敏度有針對(duì)性增加了靈敏度0.45以上的相應(yīng)零件的料厚，表4，表5，以達(dá)到改善模態(tài)的效果。

表4 高靈敏度零件

表5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)質(zhì)量和頻率影響結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

文章以某SUV改進(jìn)項(xiàng)目為例，通過(guò)建立整車結(jié)構(gòu)有限元模型，幫助在改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中找出對(duì)整車模態(tài)影響的關(guān)鍵零部件及相應(yīng)模態(tài)靈敏度，并對(duì)靈敏度較高的零件進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。優(yōu)化后白車身質(zhì)量減少了1.5KG，一階扭轉(zhuǎn)提高了4HZ，滿足了項(xiàng)目對(duì)白車身模態(tài)的改進(jìn)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]傅志方，華宏星，模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

摘 要：文章介紹了某SUV車型的白車身模態(tài)分析，并針對(duì)計(jì)算結(jié)果對(duì)車身結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行優(yōu)化，使整車剛度趨于合理。優(yōu)化結(jié)果顯示：優(yōu)化后結(jié)構(gòu)、剛度更加合理，并且一階扭轉(zhuǎn)提高了4HZ，車身重量減少1.5KG。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元分析

前言

現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，有限元分析得到了廣泛的運(yùn)用。車身作為汽車的關(guān)鍵總成，其力學(xué)特征對(duì)整車的動(dòng)力學(xué)特征起關(guān)鍵作用。車身模態(tài)分析則關(guān)系到整車剛度、常規(guī)震動(dòng)和車身減重。實(shí)踐證明對(duì)白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析可以提前發(fā)現(xiàn)、避免相關(guān)的設(shè)計(jì)缺陷，及時(shí)整改、優(yōu)化設(shè)計(jì)。從而縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用。

文章通過(guò)對(duì)白車身的模態(tài)分析對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得車身結(jié)構(gòu)局部模態(tài)和整體剛度特征滿足模態(tài)規(guī)劃要求。

1 有限元模型

有限元分析基本是利用一組離散化單元組集代替連續(xù)體機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，這種單元組集體稱結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。車身模型建立原則為能反映車身主要力學(xué)結(jié)構(gòu)特征和邊界約束條件，其次可考慮在保證正確性的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。模型建立過(guò)程需考慮：模型的簡(jiǎn)化、網(wǎng)絡(luò)劃分、材料屬性確定、單元選擇及模型的連接與裝配。為此對(duì)模型建立進(jìn)行了如下處理：

1.1 模型建立采用了基準(zhǔn)尺寸為10mm的QUASD4劃分SHELL單元，局部采用了大于3mm的小尺寸劃分，在非關(guān)鍵區(qū)域幾何過(guò)度區(qū)少量采用了TRIA3單元。TRIA3單元占總數(shù)的比率小于5%。

1.2 孔徑6mm～10mm，用方孔代替；孔徑大于10mm，保留孔，孔周圍兩圈偶數(shù)個(gè)單元，其他非重要小孔可忽略。

1.3 翻邊至少要?jiǎng)澐謨膳啪W(wǎng)格，圓角大于3mm可以保留，螺栓用RIGID或梁連接。

1.4 焊點(diǎn)采用CWELD/ACM單元，方向同連接殼單元法向量平行。焊縫則采用CQUAD4和CTRIA3模擬，對(duì)不考察局部應(yīng)力的情況下，有選擇性采用節(jié)點(diǎn)重合，并保證網(wǎng)絡(luò)的幾何匹配。

根據(jù)車身提供的數(shù)字模型，最終白車身帶玻璃有限元模型單元547，219，節(jié)點(diǎn)569，580個(gè)，見(jiàn)圖1。其中材料選擇見(jiàn)表1。

表1 材料屬性

2 模態(tài)分析

由于汽車上各個(gè)系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)，模態(tài)規(guī)劃就是界定各個(gè)系統(tǒng)頻率范圍的過(guò)程，防止產(chǎn)生共振并提高整車的剛度。車身作為人的載體，直接同人的感受相聯(lián)系，同時(shí)白車身的模態(tài)對(duì)車身的貢獻(xiàn)達(dá)到了60%以上，對(duì)白車身的模態(tài)分析則顯得至關(guān)重要。

汽車行駛時(shí)要承受各種外界和內(nèi)部的激勵(lì)源的激勵(lì)，圖2為激振傳遞圖。

四缸機(jī)750轉(zhuǎn)左右怠速下激振主頻率在25Hz和50Hz。額定功率行駛時(shí)5500*2/60=183 Hz。正常行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率源大于通常的整車模態(tài)，但怠速時(shí)激振頻率和白車身的低頻非常接近，怠速時(shí)容易引起車身共振[1]。

懸架的簧下質(zhì)量為簧上的1/5～1/10，輪胎剛度是懸架彈簧的5～10倍，所以簧下質(zhì)量的固有頻率比簧上要高5～10倍，bounce和pitch這兩個(gè)頻率一般控制在1Hz～2Hz， bounce比pitch要低1.2倍左右，這樣與步行時(shí)的頻率差不多，人體感覺(jué)在舒適范圍。輪胎不平衡引起的激勵(lì)，主要在11Hz以下。該激振較小，容易避免。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，汽車在正常路面以低于車速在150km/h速度行駛時(shí)，路面的激勵(lì)頻率低于21Hz，所以汽車車身的固有頻率需高于21Hz，最好不低于25Hz的激振頻率[2]。傳動(dòng)軸引起的激勵(lì)一般在40Hz以上，分量較小，對(duì)白車身的影響較小。方向盤一階模態(tài)在80Hz左右，縱向和橫向在35Hz左右。排氣系統(tǒng)一階垂向和橫向在24Hz左右。避免車廂空腔的低頻需避開(kāi)第一階空腔共鳴頻率，該類型車型帶座椅的一階頻率一般在50～70Hz。車身壁板的結(jié)構(gòu)模態(tài)則要避免與車廂的聲學(xué)模態(tài)耦合。

汽車的振動(dòng)是各階模態(tài)振動(dòng)的綜合表現(xiàn)。前幾階的整體模態(tài)起主要作用。從上述分析可以得出，主要的激勵(lì)來(lái)自路面對(duì)車輪的沖擊和發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。在設(shè)計(jì)汽車時(shí)，車身的固有頻率應(yīng)有效避免相關(guān)的激振頻率，提高整車的舒適性及疲勞壽命。通常，Trimmed Body模態(tài)相對(duì)白車身模態(tài)下降5～10Hz。承載式車身的彎曲剛度一般高于扭轉(zhuǎn)剛度，要求之間能分開(kāi)3Hz以上。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

為避免相連系統(tǒng)出現(xiàn)共振，整車制定了車型頻率規(guī)劃。對(duì)白車身確定了如下標(biāo)準(zhǔn)：局部模態(tài)要求大于40Hz，第一階扭轉(zhuǎn)要求大于30Hz，第一階彎曲要求大于40Hz。通過(guò)計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)第一階扭轉(zhuǎn)小于30Hz，不滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)D柱下加強(qiáng)板有優(yōu)化空間，后背門上部局部模態(tài)不夠理想，因此在結(jié)構(gòu)整改中，對(duì)相關(guān)的零件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 模態(tài)優(yōu)化措施

模態(tài)改進(jìn)則本質(zhì)是增加其自身剛度，改變其固有頻率分布，使質(zhì)量分布更合理。

本次改進(jìn)主要采用的方法為：

（1）重要接頭處加強(qiáng)焊接及合理設(shè)置加強(qiáng)筋，提高整體剛度。

（2）提升靈敏度較高的零件料厚，對(duì)靈敏度較低的零件采用降低料厚、挖孔或取消這類零件。重要接頭處加強(qiáng)焊接及合理設(shè)置加強(qiáng)筋，提高整體剛度。

（3）優(yōu)化傳力路線，減少應(yīng)力集中，改善應(yīng)力分布。

除上述方法外，模態(tài)改進(jìn)還可采用涂覆隔振板，激光拼焊，采用超輕鋼、鋁、塑料等材料等。表3為根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后結(jié)果。

通過(guò)模態(tài)分析的應(yīng)力應(yīng)變分布圖，發(fā)現(xiàn)D柱下加強(qiáng)板的剛度貢獻(xiàn)值較小，而該件重量卻很大，考慮質(zhì)量分布和剛度的關(guān)系，決定取消該件，將減少的重量應(yīng)用到剛度貢獻(xiàn)更大的零件上。對(duì)上接頭應(yīng)力集中處優(yōu)化了傳力路徑，模態(tài)提高了1.27Hz。另外，對(duì)上接頭局部、輪罩撐板、小隔板處利用較小質(zhì)量的加強(qiáng)板進(jìn)行了局部加強(qiáng)。

根據(jù)零件的料厚靈敏度有針對(duì)性增加了靈敏度0.45以上的相應(yīng)零件的料厚，表4，表5，以達(dá)到改善模態(tài)的效果。

表4 高靈敏度零件

表5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)質(zhì)量和頻率影響結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

文章以某SUV改進(jìn)項(xiàng)目為例，通過(guò)建立整車結(jié)構(gòu)有限元模型，幫助在改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中找出對(duì)整車模態(tài)影響的關(guān)鍵零部件及相應(yīng)模態(tài)靈敏度，并對(duì)靈敏度較高的零件進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。優(yōu)化后白車身質(zhì)量減少了1.5KG，一階扭轉(zhuǎn)提高了4HZ，滿足了項(xiàng)目對(duì)白車身模態(tài)的改進(jìn)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]傅志方，華宏星，模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.