吳哲，龔國慶

（北京信息科技大學機電工程學院，北京100192）

基于靈敏度分析的SUV白車身優(yōu)化設(shè)計

吳哲，龔國慶

（北京信息科技大學機電工程學院，北京100192）

采用Hypermesh軟件建立某SUV白車身有限元模型，通過Radioss對該模型進行自由模態(tài)分析計算；利用Optistruct對該模型的部分板件進行靈敏度分析，并以計算結(jié)果為依據(jù)，對白車身進行尺寸優(yōu)化，在保證質(zhì)量基本不變的情況下，提高一階模態(tài)的頻率。

模態(tài)分析；Hypermesh；靈敏度；尺寸優(yōu)化

汽車白車身模態(tài)參數(shù)反映白車身結(jié)構(gòu)的基本振動特性，影響著汽車的強度、可靠性、使用壽命、乘坐舒適性等。白車身模態(tài)為汽車的頻率響應(yīng)分析、NVH分析等奠定基礎(chǔ)，也是汽車新產(chǎn)品開發(fā)結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容之一[1]。因此，預測汽車的振動特性，對車身的固有頻率進行分析，并通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)和改進結(jié)構(gòu)設(shè)計以達到避開激勵源頻率的目的，是現(xiàn)代車輛設(shè)計必不可少的環(huán)節(jié)。為了避免汽車行駛過程中在各種激勵下，車身結(jié)構(gòu)發(fā)生低階模態(tài)共振，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)該有效地控制車身結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)參數(shù)[2-3]。仿真分析，通過建立白車身有限元模型，對其進行模態(tài)計算，并對低階模態(tài)的振型進行分析，同時利用實驗驗證計算模態(tài)振型的準確性；然后根據(jù)具體問題提出優(yōu)化目標及約束條件，對白車身的靈敏度進行計算，并根據(jù)計算結(jié)果提出優(yōu)化方案，以解決設(shè)計初期白車身低階模態(tài)頻率不高、車身結(jié)構(gòu)可能發(fā)生低階模態(tài)共振，以及一階模態(tài)頻率與發(fā)動機怠速頻率耦合的問題。

1 仿真分析及實驗驗證

1.1 有限元模型的建立

仿真分析所用車身為鈑金結(jié)構(gòu)，主要包括前圍、地板、側(cè)圍、頂蓋等四大部分，均為薄板沖壓件，各零件之間的連接裝配主要是點焊方式。車身有限元模型應(yīng)具有足夠的準確性，既能反映實際結(jié)構(gòu)的主要力學特性、結(jié)構(gòu)的實際狀況，又能保證網(wǎng)格質(zhì)量以提高計算精度。因此，在對板件進行網(wǎng)格劃分前，首先要對幾何結(jié)構(gòu)進行處理，將部分大圓形孔簡化為多邊形孔，半徑小于5mm的孔可忽略不計，刪去對整體性能影響不大的小部件，但保證總體白車身質(zhì)量與實際質(zhì)量相差不超過3%。另外，如果網(wǎng)格單元數(shù)目過多，將對計算機軟件和硬件設(shè)備提出更高的要求，要耗費更多的計算時間，而過少將會導致計算結(jié)果精確度降低。本次仿真分析網(wǎng)格單元長度最短不小于5mm，長寬比大于1：5，四邊形各內(nèi)角大于40°小于140°，三角形各內(nèi)角大于30°小于120°，單元翹曲度不大于15°，三角形單元的數(shù)量不大于8%；彈性模量為2.1×105MPa，密度為7.9×10-9t/mm3，泊松比為0.3。按照以上要求，對模型所有零部件都采用板殼單元進行離散，并盡量采用四邊形板殼單元模擬，少量三角形單元以滿足高質(zhì)量網(wǎng)格的過渡需要；粘膠用實體單元模擬，焊點采用CWELD和RBE2單元模擬。本次仿真所建模型中四邊形單元442 381個，三角形單元13 071個，三角形單元比例2.9%，具有較高的網(wǎng)格質(zhì)量。白車身有限元模型如圖1所示。

1.2 白車身模態(tài)分析

利用Hypermesh軟件中的Radioss求解器對白車身進行無任何約束的自由模態(tài)計算，白車身低階模態(tài)（前四階）振型圖及振型描述如圖2所示。由于車輪不平衡引起的激勵頻率主要在11Hz以下，低于白車身的第一階固有頻率較多，因此，不會引起白車身共振，計算時可以不予考慮。而該車的發(fā)動機怠速所引起的激勵頻率是24Hz。正常行駛時，激勵頻率為200Hz[4]，顯然發(fā)動機在怠速運轉(zhuǎn)時容易引起共振，影響強度、可靠性、使用壽命、乘坐舒適性等。同時白車身的低階模態(tài)頻率反映了白車身的剛度性能，對車身的剛度都是拿白車身的低階模態(tài)頻率值作為指標，對該值的具體數(shù)據(jù)范圍目前尚無標準。一般是以競爭對手同類車型作為參照，低階模態(tài)頻率高，則車身剛度會更好。

通過參考標桿車型的低階模態(tài)頻率，發(fā)現(xiàn)標桿車型的一階模態(tài)為24.22Hz、一階扭轉(zhuǎn)頻率為27.27Hz、一階彎曲頻率為34.08Hz，前幾階低階模態(tài)的固有頻率越高越好。本次仿真所用車型S108白車身的一階模態(tài)的固有頻率為24.33 Hz，一階扭轉(zhuǎn)頻率為28.98 Hz，一階彎曲頻率為35.36Hz?？梢钥闯?，S108的低階模態(tài)水平是在標桿車之上的。由于一階模態(tài)頻率與車輛所用發(fā)動機怠速頻率（24 Hz）基本重合，故可作為本次仿真的優(yōu)化部分重點考慮問題。

1.3 實驗驗證

為準確獲取車身動態(tài)特性并驗證有限元模型的有效性，在開發(fā)中還需進行模態(tài)實驗。本次模態(tài)實驗主要采用的儀器有模態(tài)實驗專用吊架、動態(tài)信號測試及分析系統(tǒng)、加速度傳感器、力傳感器、激振器、信號發(fā)射器、功率放大器、計算機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及模態(tài)分析軟件。實驗時利用具有一定柔軟度的橡皮繩將白車身懸掛到吊架上，將加速度傳感器粘到提前選好的200個測試點響應(yīng)測點上，這些測點能夠良好地反映出白車身結(jié)構(gòu)，在前車頭左右大梁對稱施加激振力。

通過激振器在上述兩激振點處激振，將所使用的激勵為掃頻范圍為0Hz～200Hz的正弦掃頻信號傳遞到整個白車身，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過在響應(yīng)測點處的壓電傳感器及其它信號采集設(shè)備對數(shù)據(jù)進行采集。所得模態(tài)實驗與有限元模態(tài)分析結(jié)果對比如表1所示。由表1可知，仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的誤差在5%以內(nèi)，低階整體模態(tài)振型也吻合得非常好，證明該有限元模型能夠較準確地模擬實際結(jié)構(gòu)的整體動力學特性，所建有限元模型準確可靠。

表1 模態(tài)實驗與有限元模態(tài)分析結(jié)果對比

2 靈敏度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

白車身靈敏度計算選擇白車身各部分薄壁件的厚度為模型設(shè)計變量。設(shè)計時需計算出各部分板厚對白車身各階模態(tài)頻率影響的靈敏度SFi。為了防止在提升白車身的動態(tài)性能的同時，使白車身總質(zhì)量顯著上升，須同時考慮各個構(gòu)件厚度增加引起的整個白車身質(zhì)量的增量△M（x），因此，需要同時進行質(zhì)量靈敏度分析，即分析△M（x）質(zhì)量增量對結(jié)構(gòu)修改變量變化的敏感程度SM=△M（x）/△x。模態(tài)頻率靈敏度值大于0時，絕對值越大，說明增加等量的模態(tài)頻率所需質(zhì)量越?。荒B(tài)頻率靈敏度值小于0時候，絕對值越大，說明減少相同的質(zhì)量可帶來較大的頻率值的增加[5-7]。通過對模態(tài)頻率靈敏度的比較分析，可以有效地權(quán)衡各個構(gòu)件對修改目標的影響，以選擇更有針對性的、更有性價比的構(gòu)件作為修改變量進行模型修改。

提高低階模態(tài)的頻率將會避免汽車行駛過程中在路面載荷激勵下，車身結(jié)構(gòu)發(fā)生低階模態(tài)共振，而本白車身模型的一階模態(tài)頻率與發(fā)動機怠速頻率耦合，而且對于長期行駛于振動環(huán)境中的轎車白車身結(jié)構(gòu)，第一階固有頻率越高，則表示其動剛度越好[8-9]，可見一階模態(tài)對于白車身模態(tài)的重要性。因而希望白車身的第一階固有頻率在現(xiàn)有基礎(chǔ)上能得到進一步提高，同時一階模態(tài)的提高也會相應(yīng)引起其他幾個低階模態(tài)頻率的進一步提高，可見提高一階模態(tài)頻率對于仿真優(yōu)化的重要性。本次優(yōu)化利用Optistruct求解器進行靈敏度的計算[10]，選取了對抗扭和抗彎強度影響較大的空間梁結(jié)構(gòu)和板類覆蓋件壁厚為設(shè)計變量，以質(zhì)量最小為約束條件，將第一階模態(tài)頻率值提高到27Hz以上作為目標函數(shù)進行求解。

優(yōu)化模型經(jīng)過計算，得到質(zhì)量隨迭代次數(shù)變化的曲線（圖3）和一階模態(tài)頻率隨迭代次數(shù)變化的曲線（圖4）。

由圖3和圖4可以知道，本次優(yōu)化計算模型經(jīng)過8次迭代后趨于收斂，計算所得出優(yōu)化各件的質(zhì)量靈敏度、一階模態(tài)靈敏度、初始厚度見表2。

由表2可知，本次優(yōu)化共選取了20個車身結(jié)構(gòu)部件進行模態(tài)靈敏度分析。結(jié)果表明，車身組成部件中，不同部件的厚度改變對白車身模態(tài)的影響有較大的區(qū)別，靈敏度絕對值越大，說明該板件對模態(tài)的影響越大。當靈敏度為正時，增加厚度將會提高模態(tài)頻率值；當靈敏度為負時，減小厚度將會提高模態(tài)頻率值。這里側(cè)圍及頂蓋的厚度變化對車身剛度影響最大，即靈敏度最大。對各個板件的厚度進行修改時，修改方案應(yīng)參照其他性能要求進行，否則修改結(jié)果雖然可能會提高模態(tài)頻率數(shù)值；但如果修改尺寸后，白車身不能保證其他性能的要求是不行的，例如白車身中的碰撞吸能區(qū)、能量傳遞區(qū)和乘員保護區(qū)等部位影響汽車的碰撞性能。在確定優(yōu)化方案過程中，這些部位的汽車板件暫不作厚度修改[11]。對厚度修改后的模型再次進行模態(tài)計算，優(yōu)化后的前一、二、三、四階模態(tài)頻率分別為廂形振動（27.52Hz）、扭轉(zhuǎn)振動（29.48 Hz）、彎曲+地板、前段局部振動（37.69 Hz）、扭轉(zhuǎn)、彎曲疊加振動（38.03Hz）。

表2 靈敏度計算結(jié)果

優(yōu)化后白車身總質(zhì)量由最初的259.1 kg增加至260.3 kg，雖然質(zhì)量與優(yōu)化前相比有所增加，但考慮到增加的比例很低，質(zhì)量變化在可接受范圍之內(nèi)。優(yōu)化后的一階模態(tài)頻率由當初的24.33Hz增加至27.52Hz，達到了設(shè)定目標；其他各階模態(tài)頻率值較優(yōu)化前也有不同程度的增加，本次優(yōu)化成功。優(yōu)化前后質(zhì)量及低階頻率變化對比見表3。

表3 優(yōu)化前后白車身質(zhì)量與模態(tài)頻率對比

3 結(jié)論

以某SUV白車身為研究基礎(chǔ)，運用Hypermesh對其進行有限元網(wǎng)格劃分，利用Radioss求解器進行模態(tài)計算，利用Optistruct模塊針對一階模態(tài)進行靈敏度分析，以提高低階模態(tài)頻率，從而避免汽車行駛過程中在路面激勵下，車身結(jié)構(gòu)發(fā)生低階模態(tài)共振作為前提，以重點提高白車身一階模態(tài)頻率，從而成功避開該車所選發(fā)動機的怠速頻率而引起汽車舒適性降低作為直接優(yōu)化目標，以保證質(zhì)量浮動盡可能小為約束對白車身一階模態(tài)靈敏度進行計算并提出優(yōu)化方案，在實際工程中有著參考意義[12-13]?，F(xiàn)總結(jié)如下：

1）從白車身的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，選擇了20組車身結(jié)構(gòu)部件進行靈敏度分析，以提高低階模態(tài)的頻率為目的進行優(yōu)化。

2）優(yōu)化后在僅犧牲1.2 kg質(zhì)量的情況下，使得一階模態(tài)的頻率大幅度提高，怠速時發(fā)動機激振頻率遠低于白車身一階頻率，不會引起共振。同時其它低階模態(tài)頻率也有不同程度的提高，模態(tài)優(yōu)化結(jié)果令人滿意。

3）通過對白車身的模態(tài)分析，為以后汽車的頻率響應(yīng)分析、NVH分析等奠定基礎(chǔ)。通過將計算值與實驗值進行對比，驗證了本次分析的準確性。

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修改稿日期：2014-03-03

Optim ization Design of a SUV Body-in-whiteBased on Sensitivity Analysis

Wu Zhe,GongGuoqing
（SchoolofElectromechanicalEngineering,Beijing Information Science&Technology University,Beijing 100192,China）

The finiteelementmodelofa SUV BIW(body-in-white)isestablished with software Hypermesh,the free modals of this FEA modelare computed with Radioss.The sensitivity of themodel some plates is analyzed with Optistruct,and the size optimization of the BIW is taken based on the calculation results.The target is to improve the first-ordermodal frequencyunder the condition ofensuring themassnearlyno changes.

modelanalysis;Hypermesh;sensitivity;sizeoptimization

U463.82

A

1006-3331（2014）02-0009-04

吳哲（1988-），男，碩士；研究方向：汽車NVH。