Structural improvement of a light bus body-in-white based on modal sensitivity analysis

李萬利，陸森林

（江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

LI Wan-li,　LU Sen-lin

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基于模態(tài)靈敏度分析的客車車身改進(jìn)

Structural improvement of a light bus body-in-white based on modal sensitivity analysis

李萬利，陸森林

（江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

LI Wan-li,LU Sen-lin

摘要：為提高某輕型客車NVH性能，針對(duì)其低階模態(tài)固有頻率過低的問題，運(yùn)用模態(tài)靈敏度分析方法，獲知了前三階柔性模態(tài)固有頻率與車身質(zhì)量分別對(duì)板厚的靈敏度，通過對(duì)關(guān)鍵零部件形貌優(yōu)化和厚度調(diào)整，對(duì)白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。仿真分析表明，客車白車身的前三階柔性模態(tài)固有頻率有了明顯的提高，而白車身增加的質(zhì)量甚少。

關(guān)鍵詞：汽車NVH；白車身；模態(tài)分析；靈敏度分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

0　引言

NVH性能（噪聲、振動(dòng)、舒適性）是整車設(shè)計(jì)過程中需要考慮的重要特性。白車身作為整車的主要組成部分，其結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)反映了整車動(dòng)態(tài)特性，作為外界激勵(lì)的直接作用對(duì)象，在外界激振頻率與車身固有頻率相近的情況下，會(huì)導(dǎo)致車身共振，影響整車舒適性[1,2]。胡小舟等[3]通過模態(tài)應(yīng)變能和靈敏度分析，并對(duì)關(guān)鍵零部件的厚度進(jìn)行了調(diào)整，提高了白車身第階模態(tài)固有頻率。謝煌生等[4]通過對(duì)轎車車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能靈敏度分析，確定了對(duì)低級(jí)模態(tài)固有頻率影響較大的零部件，通過對(duì)其結(jié)構(gòu)的進(jìn)，車身低階模態(tài)頻率得到明顯地提高。胡巧聲等[5]通過加強(qiáng)白車身，提高其主要階次模態(tài)頻率，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的車身振動(dòng)與噪聲有效降低，轎車NVH性能得到提高。

為提高某輕型客車NVH性能，本文建立了客車白車身有限元模型，分析了白車身在0～50Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)模態(tài)；通過對(duì)客車白車身進(jìn)行模態(tài)靈敏度分析，獲知了前階柔性模態(tài)固有頻率與車身質(zhì)量分別對(duì)板厚的靈敏度，對(duì)關(guān)鍵零部件形貌優(yōu)化和厚度調(diào)整，在盡量不增加車身質(zhì)量的情況下，提高了前級(jí)模態(tài)固有頻率。對(duì)比結(jié)構(gòu)進(jìn)前后的仿真結(jié)果，表明該進(jìn)方案有效、可行。

1　理論基礎(chǔ)

設(shè)wi和ui分別為車身結(jié)構(gòu)第i階模態(tài)的固有頻率與振型向量，它們應(yīng)滿足：

式中：K為結(jié)構(gòu)模型總剛度矩陣；M為結(jié)構(gòu)模型總質(zhì)量矩陣，其維數(shù)即為結(jié)構(gòu)模型自由度數(shù)。

對(duì)式(1)中某設(shè)計(jì)變量x求偏導(dǎo)數(shù)，可求得：

用uTi左乘式(2)，且有：

即可獲得第i階模態(tài)固有頻率對(duì)設(shè)計(jì)變量x的靈敏度：

2　客車白車身模型建立和模態(tài)分析

2.1結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

借助Catia創(chuàng)建某輕型客車的白車身模型。建立的車身模型應(yīng)能反映工程結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)性能和車身結(jié)構(gòu)的實(shí)際形狀，以及零部件間的連接關(guān)系[6]。同時(shí)為了降低網(wǎng)格劃分的難度與減少仿真分析的時(shí)間，在Hyper Mesh中應(yīng)先對(duì)車身結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行些必要的簡(jiǎn)化：刪除些對(duì)車身整體結(jié)構(gòu)影響細(xì)微的特征，如圓孔、圓角、倒角等，忽略些非承載件與裝飾件，如方向盤、儀表盤、制動(dòng)踏板等[7]。采用尺寸為40mm的Shell63單元，各零部件的有限元網(wǎng)格在Hyper Mesh中通過rigid單元連接，生成客車白車身結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示，單元數(shù)量為37177，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為36286，其中角形網(wǎng)格有659個(gè)，占1.8%。

圖1　白車身有限元模型

2.2車身的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

在LMS Virtual. lab中運(yùn)用Block Lanzos法對(duì)客車白車身有限元模型進(jìn)行自由振動(dòng)模態(tài)分析，其中前六階為剛性模態(tài)，其柔性模態(tài)才能反映車身結(jié)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式，前階柔性模態(tài)分析結(jié)果表1所示，相對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型如圖2～圖4所示。

表1　白車身仿真模態(tài)頻率和振型

圖2　白車身第一階模態(tài)振型

圖3　白車身第二階模態(tài)振型

圖4　白車身第三階模態(tài)振型

3　客車白車身靈敏度分析

由靈敏度分析理論可知，當(dāng)部件對(duì)于某階模態(tài)頻率的靈敏度值為正且絕對(duì)值較大時(shí)，增加該部件的料厚對(duì)提高該階模態(tài)頻率有顯著的效果；反之，當(dāng)靈敏度值為負(fù)且絕對(duì)值較大，減少該部件的料厚可有效提高該階模態(tài)頻率。由圖5可知，對(duì)于白車身前階模態(tài)頻率，不同位置上的部件對(duì)不同階次模態(tài)頻率的影響是不樣的。對(duì)前階模態(tài)固有頻率靈敏度值為正且絕對(duì)值較大的零部件有：2、7、13、14、16、24、28、30。其中對(duì)模態(tài)固有頻率影響最大的零部件是7和24。當(dāng)增加部件7的料厚時(shí)，可使第階模態(tài)固有頻率得到明顯的提高；當(dāng)增加部件24的料厚時(shí)，可使前階模態(tài)固有頻率均有提高，其中第階模態(tài)頻率提高的最為顯著。對(duì)前階模態(tài)固有頻率靈敏度值為負(fù)且絕對(duì)值較大的零部件有：4、6、22、27。其中對(duì)模態(tài)固有頻率影響最大的零部件是4和27。當(dāng)減少部件4的料厚時(shí)，可使第二階與第階固有頻率大幅度提高，而第階固有頻率基本不變；當(dāng)減少部件27的料厚時(shí)，可使第階固有頻率大幅度提高，第二階與第階固有頻率基本不變。

圖5　前三階固有頻率對(duì)板厚的靈敏度

圖6　質(zhì)量對(duì)板厚的靈敏度

綜合考慮客車白車身靈敏度分析結(jié)果，對(duì)零部件2、13、16、24、28、30采取增加料厚措施，對(duì)零部件4、6、22、27采取減少料厚的措施，對(duì)零部件7和14通過形貌優(yōu)化。

4　白車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)與仿真驗(yàn)證

4.1車身頂棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化

零部件7和14分別對(duì)應(yīng)的是車身頂棚和后地板，為在盡量不增加車身質(zhì)量的情況下，提高車身低階模態(tài)固有頻率，本文對(duì)頂棚和后地板采取形貌優(yōu)化的措施。下面以車身頂棚為例敘述其優(yōu)化過程。

本文對(duì)頂棚形貌優(yōu)化的主要目的是增強(qiáng)其剛度，即在頂棚上找到布置加強(qiáng)筋的最優(yōu)位置及數(shù)量。優(yōu)化過程中把原有加強(qiáng)筋去掉后的頂棚模型作為優(yōu)化模型，目標(biāo)函數(shù)為車身頂棚第階柔性模態(tài)固有頻率，約束條件為約束頂棚邊緣的全部自由度。

車身頂棚有限模型在OptiStruct優(yōu)化模塊中經(jīng)過11次迭代分析，第階柔性模態(tài)固有頻率從21.37Hz提升到26.41Hz，車身頂棚地最終形貌云圖如圖7所示。

根據(jù)最終優(yōu)化變形云圖，再考慮工藝性與經(jīng)濟(jì)性等條件，頂棚布置加強(qiáng)筋的最終結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8　頂棚采用的最終結(jié)構(gòu)

4.2關(guān)鍵零部件厚度調(diào)整

表2　車身板件厚度調(diào)整

4.3仿真驗(yàn)證

圖9　優(yōu)化后白車身一階模態(tài)振型

【】【】

圖10　優(yōu)化后白車身二階模態(tài)振型

圖11　優(yōu)化后白車身三階模態(tài)振型

從表3可知，改進(jìn)后客車白車身的低階柔性模態(tài)固有頻率均有所提高，前三階固有頻率分別提高了50.9%，26.1%和21.3%，其中一階固有頻率提高為12.83Hz，有效地避開了人體最敏感頻率范圍4Hz～12.5Hz，改進(jìn)效果明顯。

表3　優(yōu)化前后白車身模態(tài)頻率對(duì)比

5　結(jié)束語

以某客車白車身為研究對(duì)象，針對(duì)其低階模態(tài)固有頻率過低的問題，運(yùn)用模態(tài)靈敏度分析方法，獲知了前三階柔性模態(tài)固有頻率與車身質(zhì)量分別對(duì)板厚的靈敏度，對(duì)關(guān)鍵零部件形貌優(yōu)化與厚度調(diào)整，提高了前三階柔性模態(tài)固有頻率，而車身質(zhì)量沒有明顯增加。

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設(shè)計(jì)與應(yīng)用

作者簡(jiǎn)介：李萬利（1987 -），男，湖南人，碩士研究生，研究方向?yàn)檐囕v振動(dòng)與噪聲。

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK2009212）

收稿日期：2015-12-16

中圖分類號(hào)：U463.82+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)03-0064-03