黃祖嚴(yán)

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，廣東深圳 518109)

0 引言

轎車(chē)的車(chē)門(mén)是車(chē)身的一個(gè)獨(dú)立總成，在車(chē)身的設(shè)計(jì)當(dāng)中，車(chē)門(mén)影響著整個(gè)車(chē)身的舒適性和結(jié)構(gòu)特性。如何在車(chē)門(mén)的分析中判斷車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)的合理性及車(chē)門(mén)靜態(tài)剛度衍生出的實(shí)際動(dòng)態(tài)影響，是一項(xiàng)設(shè)計(jì)分析中不可或缺的工作程序。近年來(lái)工程研究人員針對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)的動(dòng)、靜態(tài)特性做了大量的研究，主要可歸結(jié)如下：

2011年肖成林等利用有限元軟件HyperWorks對(duì)某一轎車(chē)的車(chē)門(mén)進(jìn)行了有限元分析，并且根據(jù)分析結(jié)果提出了提高車(chē)門(mén)剛度同時(shí)輕量化的設(shè)計(jì)方案[1]。陳陽(yáng)等人利用實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法對(duì)某一車(chē)門(mén)進(jìn)行了模態(tài)分析，并且根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)車(chē)門(mén)的結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化方案[2]。2012年趙耕耘等利用有限元分析軟件分析了某轎車(chē)前門(mén)在扭轉(zhuǎn)時(shí)以及下沉?xí)r的應(yīng)力，找出了該車(chē)門(mén)設(shè)計(jì)的不合理之處[3]。2013年唐金花等建立了某車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB軟件對(duì)模型進(jìn)行了求解。2014年趙健寧等對(duì)某一轎車(chē)車(chē)門(mén)自由狀態(tài)進(jìn)行了模態(tài)分析[4]。2015年崔新濤等利用有限元方法對(duì)某轎車(chē)的應(yīng)力及變形進(jìn)行了分析[5]。2016年劉敏章等利用UG軟件對(duì)某轎車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。喬維高等利用計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的辦法研究了某轎車(chē)車(chē)門(mén)的側(cè)向碰撞安全[6]。

作者利用CATIA軟件在虛擬建模的環(huán)境下對(duì)車(chē)門(mén)的三維模型進(jìn)行逆向創(chuàng)建，并且在CATIA環(huán)境中利用HyperMesh對(duì)模型進(jìn)行前處理，利用HyperMesh導(dǎo)出處理好的模型并利用ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)該車(chē)門(mén)的動(dòng)態(tài)特性做出了一些評(píng)價(jià)。

1 建立車(chē)門(mén)模型

對(duì)該車(chē)門(mén)表面進(jìn)行量測(cè)之后得到該車(chē)門(mén)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，之后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA軟件 ，利用 CATIA軟件的逆向建模功能得到該車(chē)門(mén)的三維模型，然后再根據(jù)車(chē)門(mén)的實(shí)際尺寸對(duì)模型進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，得到的三維模型圖如圖1所示。

圖1 車(chē)門(mén)的三維模型

將建立好的CATIA模型導(dǎo)出。通常的CATIA格式后綴名是CAT，這時(shí)需要導(dǎo)出STP格式到HyperMesh里面。之后利用HyperMesh軟件對(duì)車(chē)門(mén)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格質(zhì)量選擇最小長(zhǎng)度3 mm、最長(zhǎng)長(zhǎng)度15 mm、翹曲度小于15°、雅克比0.7等標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)格質(zhì)量要求橫平豎直，三角率小于5%。網(wǎng)格劃分完成后如圖2所示。

圖2 車(chē)門(mén)網(wǎng)格劃分情況

2 車(chē)門(mén)的模態(tài)分析及評(píng)價(jià)

采用ANSYS軟件的Workbench窗口界面進(jìn)行該車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，在分析之前需要設(shè)置該車(chē)門(mén)材料的物理參數(shù)。材料參數(shù)取值如表1所示。

表1 車(chē)門(mén)材料參數(shù)

為分析車(chē)門(mén)關(guān)閉情況下的模態(tài)情況，模擬車(chē)門(mén)關(guān)閉情景，在車(chē)門(mén)安裝孔位置和車(chē)門(mén)鎖位置分別添加固定約束。一般對(duì)車(chē)門(mén)振動(dòng)特性影響較大的為前4階模態(tài)，在此設(shè)置求解該車(chē)門(mén)的前4階模態(tài)。前4階模態(tài)的固有頻率和振型描述如表2所示，該車(chē)門(mén)的前4階模態(tài)振型云圖分別如圖3-6所示。

表2 車(chē)門(mén)前4階模態(tài)頻率與振型描述

圖3為1階模態(tài)振型，所對(duì)應(yīng)的固有頻率為48.237 Hz，可以看出：此時(shí)車(chē)門(mén)上邊框位置變形量較大以及車(chē)門(mén)下邊框位置和車(chē)門(mén)內(nèi)板中間位置變形量較大，整體看來(lái)為車(chē)門(mén)的1階彎曲振動(dòng)。車(chē)門(mén)其他位置基本不產(chǎn)生變形量。

圖3 1階模態(tài)振型

圖4為2階振型圖，所對(duì)應(yīng)的固有頻率為51.625 Hz。在2階模態(tài)中,變形量較大位置為車(chē)門(mén)邊框以及車(chē)門(mén)內(nèi)板的中間位置，其他區(qū)域基本不變形，此時(shí)整體看作是車(chē)門(mén)的1階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

圖4 2階模態(tài)振型

圖5為車(chē)門(mén)的第3階模態(tài)振型，對(duì)應(yīng)的固有頻率為62.102 Hz。此時(shí)車(chē)門(mén)邊框以及車(chē)門(mén)內(nèi)板基本不變形，變形較大區(qū)域?yàn)檐?chē)門(mén)外板下部區(qū)域。此階模態(tài)為外板的彎曲振動(dòng)。

圖5 3階模態(tài)振型

圖6為該車(chē)門(mén)的第4階模態(tài)振型，此時(shí)對(duì)應(yīng)的固有頻率為81.549 Hz。此時(shí)車(chē)門(mén)外板基本不動(dòng)，整體表現(xiàn)為車(chē)門(mén)內(nèi)板的彎扭組合振動(dòng)。

圖6 4階模態(tài)振型

汽車(chē)振動(dòng)主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)與路面不平度引起的激勵(lì)，大多為20 Hz以下垂直方向的振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速下激勵(lì)為26.7 Hz，經(jīng)濟(jì)常用轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)激勵(lì)為66.7 Hz。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：車(chē)門(mén)的2階固有頻率為51.625 Hz，高于路面激勵(lì)頻率，不會(huì)發(fā)生共振。但是3階固有頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速下的激勵(lì)頻率較為接近，容易發(fā)生共振現(xiàn)象，所以建議通過(guò)加強(qiáng)外板結(jié)構(gòu)的剛度，改變第3階固有頻率，從而避免發(fā)生共振。

3 總結(jié)

利用計(jì)算模態(tài)分析技術(shù)對(duì)某轎車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性評(píng)價(jià)，主要工作可歸結(jié)如下：

(1)利用車(chē)門(mén)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和CATIA軟件的逆向建模功能建立了某轎車(chē)車(chē)門(mén)的三維模型。

(2)利用HyperMesh軟件對(duì)車(chē)門(mén)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。

(3)利用ANSYS軟件分析了該車(chē)門(mén)前4階模態(tài)并且對(duì)車(chē)門(mén)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

該方法對(duì)轎車(chē)車(chē)門(mén)動(dòng)態(tài)特性評(píng)價(jià)及設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

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