陳磊 董華東

摘要：以某純電動(dòng)SUV汽車(chē)的后背門(mén)為研究對(duì)象，利用有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，提出一種復(fù)合材料后背門(mén)模態(tài)仿真分析方法，在Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和仿真模型搭建，采用MSC.Nastran軟件進(jìn)行求解計(jì)算，利用Hyperview軟件查看結(jié)果云圖。通過(guò)分析其Trimmed模態(tài)，提出三種優(yōu)化方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證質(zhì)量不增加的前提下，使后背門(mén)第一階彎曲模態(tài)提升至25.3Hz，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，為后期純電動(dòng)汽車(chē)后背門(mén)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

Abstract： Taking the tailgate of a pure electric SUV as the research object， using the FEM optimization design theory， a modal simulation analysis method of composite tailgate is proposed. HyperMesh software is used to mesh and build the model MSC.Nastran Software to calculate， based on the Hyperview software to get the results of the cloud. Based on the analysis of trimmed mode， a variety of optimization schemes are proposed to optimize the structure. Under the premise of ensuring the weight does not increase， the first bending mode of tailgate is raised to 25.3Hz， achieving the expected goal， which provides guidance for the optimization design of pure electric tailgate in the later stage.

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車(chē);后背門(mén);有限元;Trimmed模態(tài);輕量化

Key words： electric vehicle;tailgate;finite element;trimmed mode;lightweight

中圖分類號(hào)：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0008-02

0? 引言

純電動(dòng)汽車(chē)是目前及未來(lái)汽車(chē)行業(yè)的主要發(fā)展方向，輕量化是純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的必然選擇。其中，關(guān)于后背門(mén)的設(shè)計(jì)是純電動(dòng)汽車(chē)輕量化研究的重要內(nèi)容。高云凱[1]為提高車(chē)門(mén)剛度并考慮輕量化的要求，提出以拼焊板車(chē)門(mén)下沉剛度和質(zhì)量的多目標(biāo)優(yōu)化，利用NSGA-II遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)，最終得到滿足目標(biāo)的輕量化車(chē)門(mén)。段端祥[2]以某款純電動(dòng)汽車(chē)的電池箱體為研究對(duì)象，采用T300/5224復(fù)合材料進(jìn)行多方向尺寸優(yōu)化，優(yōu)化后使各項(xiàng)性能出現(xiàn)提高，同時(shí)重量也大大減輕。目前，國(guó)內(nèi)外后背門(mén)有限元仿真分析模型主要是以傳統(tǒng)金屬后背門(mén)為研究對(duì)象，尚沒(méi)有詳細(xì)的純電動(dòng)車(chē)復(fù)合材料后背門(mén)的建模方法。因此，本文以某純電動(dòng)SUV汽車(chē)復(fù)合材料后背門(mén)為研究對(duì)象，利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行Trimmed模態(tài)仿真分析。通過(guò)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真計(jì)算，最終得到了滿足目標(biāo)要求的設(shè)計(jì)方案，且優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案，質(zhì)量并沒(méi)有增加。

1? 后背門(mén)有限元仿真分析

1.1 后背門(mén)有限元建模

所研究的后背門(mén)是某純電動(dòng)SUV汽車(chē)全新開(kāi)發(fā)零件，外板材料為改性聚丙烯PP+EPDM-T30，內(nèi)板材料為長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯PP-LGF40，其總成件外觀尺寸為805mm ×1323mm×105mm。此后背門(mén)包含鉸鏈、內(nèi)板、外板、風(fēng)擋玻璃、鈑金加強(qiáng)板、緩沖墊、密封膠條、鎖體、尾燈、雨刮電機(jī)等附件。筆者在前處理軟件HyperMesh中建立后背門(mén)有限元模型，設(shè)置完成的約束模態(tài)分析工況導(dǎo)入Nastran求解器進(jìn)行求解。

鉸鏈、內(nèi)板、外板、風(fēng)擋玻璃和鈑金加強(qiáng)板均為薄壁件，其長(zhǎng)度和寬度方向尺寸遠(yuǎn)大于厚度方向尺寸，采用殼單元CQUAD4進(jìn)行離散化，網(wǎng)格單元大小設(shè)為3×3mm;當(dāng)后背門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)下，緩沖墊和密封膠條對(duì)后背門(mén)均具有支撐作用，可通過(guò)建立局部坐標(biāo)系，選擇彈簧-阻尼單元CBUSH進(jìn)行模擬;鎖體、尾燈、雨刮電機(jī)等附件，不考慮其幾何特征，但需要考慮其質(zhì)量對(duì)后背門(mén)模態(tài)的影響，故選擇集中質(zhì)量單元CONM2代替。

內(nèi)板和外板、風(fēng)擋玻璃之間的膠粘連接用Adhesives單元模擬;鈑金加強(qiáng)板與內(nèi)板之間的螺栓連接用RBE2單元模擬;集中質(zhì)量單元與安裝點(diǎn)之間的連接用RBE3單元模擬。

最終建立的后背門(mén)有限元模型單元總數(shù)為147172，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為143325，網(wǎng)格質(zhì)量檢查均滿足設(shè)定的目標(biāo)值，符合建模規(guī)范，模型質(zhì)量為25.2Kg。

本文主要研究此后背門(mén)的模態(tài)特性，完全約束車(chē)身側(cè)鉸鏈、緩沖墊和密封膠條;鎖鉤處需要建立局部坐標(biāo)系;建立后背門(mén)Trimmed模型，如圖1所示。

1.2 后背門(mén)Trimmed模態(tài)分析

純電動(dòng)汽車(chē)由于沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的掩蔽，行駛過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲對(duì)駕駛舒適性影響很大。車(chē)身振動(dòng)會(huì)使后背門(mén)密封不嚴(yán)，出現(xiàn)局部變形等現(xiàn)象，影響整車(chē)的NVH性能，所以必須對(duì)后背門(mén)進(jìn)行振動(dòng)特性分析。后背門(mén)模態(tài)性能與整車(chē)NVH性能密切相關(guān)，因此，對(duì)后背門(mén)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須滿足設(shè)定的目標(biāo)值。根據(jù)模態(tài)理論[3]

式中，K為剛度矩陣;為第i階模態(tài)的陣型向量;為第i階模態(tài)的固有頻率;M為質(zhì)量矩陣。

在實(shí)際工程開(kāi)發(fā)過(guò)程中，重點(diǎn)關(guān)注前幾階低階模態(tài)，主要由于低階模態(tài)剛度相對(duì)較小，在同樣的激勵(lì)作用下，響應(yīng)所占的比重較大，振型更易被外界激勵(lì)激起，引起共振?；谝陨侠碚?，分析得出后背門(mén)一階彎曲模態(tài)為23.2Hz，小于設(shè)計(jì)目標(biāo)25Hz，仿真結(jié)果如圖2所示。

2? 后背門(mén)優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真分析

2.1 后背門(mén)優(yōu)化方案

通過(guò)后背門(mén)Trimmed模態(tài)分析結(jié)果可知，第1階彎曲頻率為23.2Hz，低于目標(biāo)值25Hz，振型為后背門(mén)整體呈彎曲狀態(tài)。根據(jù)模態(tài)振型，判斷其薄弱位置出現(xiàn)在后背門(mén)中間部位，因此優(yōu)化方向?yàn)橥ㄟ^(guò)提高后背門(mén)中間部位剛度以提高其第一階彎曲模態(tài)，且需要保證后背門(mén)總質(zhì)量不能增加。主要采取的優(yōu)化方案如表1所示。（圖3-圖5）

2.2 優(yōu)化方案仿真對(duì)比分析

針對(duì)上述提出的方案進(jìn)行仿真分析，由于整車(chē)質(zhì)量目標(biāo)的限制，后背優(yōu)化方案質(zhì)量需要盡可能低于原設(shè)計(jì)方案質(zhì)量。三種優(yōu)化方案前3階模態(tài)頻率如表2所示，優(yōu)化方案對(duì)應(yīng)的振型如圖6-圖8所示。通過(guò)對(duì)比分析可知，優(yōu)化方案3在質(zhì)量未增加的前提下，后背門(mén)第一階彎曲模態(tài)由23.2Hz提升至25.3Hz，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3? 結(jié)論

本文建立了純電動(dòng)SUV復(fù)合材料的有限元模型，以后背門(mén)Trimmed模態(tài)為優(yōu)化目標(biāo)，提出了三種優(yōu)化方案，其中優(yōu)化方案3在質(zhì)量未增加的前提下，后背門(mén)第一階彎曲模態(tài)由23.3Hz提升至25.3Hz，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。優(yōu)化方案3在量產(chǎn)車(chē)上得到體現(xiàn)，在實(shí)車(chē)驗(yàn)證中，并沒(méi)有出現(xiàn)異響等NVH問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]高云凱，申振宇，馮兆玄，李應(yīng)軍.多目標(biāo)優(yōu)化在車(chē)門(mén)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，45（02）：275-280，308.

[2]段端祥，趙曉昱.純電動(dòng)汽車(chē)碳纖維復(fù)合材料電池箱體的鋪層設(shè)計(jì)研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2018（06）：83-88.

[3]鄧本波.汽車(chē)振動(dòng)乘坐舒適性的評(píng)價(jià)方法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005.