宋紀(jì)俠，王彥，章睿，萬長林，林明進(jìn)（東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，武漢　430057）

白車身模態(tài)試驗(yàn)與模態(tài)仿真對標(biāo)研究

宋紀(jì)俠，王彥，章睿，萬長林，林明進(jìn)
（東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，武漢430057）

利用LMS測試設(shè)備進(jìn)行了白車身模態(tài)試驗(yàn)，應(yīng)用CAE分析技術(shù)進(jìn)行了白車身模態(tài)仿真。對比模態(tài)試驗(yàn)與模態(tài)仿真結(jié)果，提出模態(tài)試驗(yàn)中測點(diǎn)分布對模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果識別有影響，模態(tài)仿真中焊點(diǎn)布局、頂蓋加強(qiáng)梁位置對模態(tài)仿真的影響較大，給出了模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真過程中的建議。

白車身；模態(tài)試驗(yàn)；模態(tài)仿真

宋紀(jì)俠

畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，工學(xué)碩士學(xué)歷，現(xiàn)任東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院主任工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)有限元及多體動力學(xué) 。

1　引言

車身是由薄鋼板焊接而成，車身固有頻率在激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，有可能產(chǎn)生共振。當(dāng)產(chǎn)生共振時(shí)，會產(chǎn)生較大的振動和車內(nèi)噪聲，產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，車身會出現(xiàn)高周疲勞破壞和大應(yīng)力低周疲勞破壞［1］。

通過模態(tài)試驗(yàn)可得出固有頻率、阻尼和模態(tài)振型［2］，評價(jià)車身設(shè)計(jì)的好壞。但模態(tài)試驗(yàn)需白車身裝配完成之后才能進(jìn)行，不能驅(qū)動白車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；模態(tài)仿真在白車身開發(fā)時(shí)期可計(jì)算其固有頻率和振型，從而可以驅(qū)動白車身的結(jié)果設(shè)計(jì)，兩種途徑的研究結(jié)果密切相關(guān)［3］。模態(tài)試驗(yàn)中測點(diǎn)分布直接影響著模態(tài)識別，特別是局部模態(tài)識別，模態(tài)仿真模型的創(chuàng)建中也存在很多因素直接影響著仿真結(jié)果的精度。為使模態(tài)仿真結(jié)果更接近模態(tài)試驗(yàn)值，將模態(tài)仿真和模態(tài)試驗(yàn)中的干擾因素剔除，現(xiàn)對模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真進(jìn)行對比研究，從而掌握模態(tài)仿真替代模態(tài)試驗(yàn)的核心技術(shù)。

2　白車身模態(tài)試驗(yàn)

試驗(yàn)用白車身不帶擋風(fēng)玻璃，底板粘有阻尼減振材料。模態(tài)試驗(yàn)采用橡皮繩吊裝方式來模擬自由邊界條件（見圖1），兩點(diǎn)激振，多點(diǎn)拾振。應(yīng)用LMS公司GEOMETRY模態(tài)測試幾何建模軟件建立幾何模型，用SPECTRAL ACQUISITION采集軟件測試各測點(diǎn)三向頻響函數(shù)，通過移動加速度傳感器測量全部測點(diǎn)的頻響函數(shù)。

測點(diǎn)共計(jì)362個(gè)，均分布在白車身外表面。白車身內(nèi)表面，如，后地板臥鋪總成、被頂蓋包圍在內(nèi)的后圍上端、頂蓋前橫梁、前圍板、擋泥板支架處等部位無測點(diǎn)。激振點(diǎn)選取地板左縱梁前端和地板右縱梁后端，Z向激振。

3　白車身模態(tài)仿真

將白車身CAD模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中，進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分、裝配和材料參數(shù)設(shè)置等，完成白車身模態(tài)仿真模型的建立［4］。

選擇合適的有限元單元類型，對白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)離散，其中白車身鈑金、玻璃和膠粘等主要采用四邊形單元，少量采用三角形單元及六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分［5］，模態(tài)仿真模型見圖2，材料屬性見表1：

表1　材料屬性

4　模態(tài)試驗(yàn)與模態(tài)仿真對比

通過將模態(tài)試驗(yàn)與模態(tài)仿真結(jié)果研究，得出模態(tài)試驗(yàn)與模態(tài)仿真結(jié)果對比的前提：

1）以模態(tài)試驗(yàn)白車身為參照，對模態(tài)仿真模型進(jìn)行零件數(shù)、焊點(diǎn)數(shù)、膠粘數(shù)量、零件料厚、零件位置等檢查，確保模態(tài)仿真模型與模態(tài)試驗(yàn)車身一致；

2）僅比較模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真中振型基本一致的模態(tài)。因模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真中均會出現(xiàn)多階整體模態(tài)和局部模態(tài)，頻率、振型不可能全部一致。

現(xiàn)選取模態(tài)試驗(yàn)與模態(tài)仿真振型基本一致的各階模態(tài)對比，見圖3～12。

4.1前端扭轉(zhuǎn)

模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真對應(yīng)模態(tài)值分別為27.7Hz和25.8Hz，見圖3～4。振型一致，車身前端繞X向扭轉(zhuǎn)和前風(fēng)窗左右擺動，兩者頻率值相差1.9Hz。

4.2頂蓋一階彎曲

模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真對應(yīng)模態(tài)值分別為29.1Hz和29.2Hz，見圖5～6。振型一致，頂蓋一階彎曲，兩者頻率值相差0.1Hz。

4.3呼吸模態(tài)

模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真對應(yīng)模態(tài)值分別為34.9Hz和32.9Hz，見圖7～8。振型一致，白車身整體呼吸模態(tài)和前檔風(fēng)窗下邊一階彎曲，兩者頻率值相差2.0Hz。

4.4局部模態(tài)

模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真對應(yīng)模態(tài)值分別為37.9Hz和36.3Hz，見圖9～10。模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真的部分振型一致，模態(tài)試驗(yàn)振型為白車身后圍上部一階彎曲和頂蓋二階彎曲，模態(tài)仿真振型為后圍上部一階彎曲，兩者頻率值相差1.6Hz。模態(tài)試驗(yàn)中被頂蓋包圍在內(nèi)的后圍上端沒有測點(diǎn)，局部模態(tài)識別有一定困難，故該處需增補(bǔ)測點(diǎn)。

4.5局部模態(tài)

模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真對應(yīng)模態(tài)值分別為42.6Hz和37.9Hz，見圖11～12。模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真的部分振型一致，模態(tài)試驗(yàn)振型為白車身前檔風(fēng)玻璃下邊一階彎曲和地板一階彎曲，模態(tài)仿真振型為后地板臥鋪一階彎曲和前檔風(fēng)窗下邊一階彎曲，兩者頻率值相差4.7Hz。模態(tài)試驗(yàn)中后地板臥鋪總成沒有測點(diǎn)，為更好對比模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真結(jié)果，該處需增補(bǔ)測點(diǎn)。

表2　模態(tài)試驗(yàn)與模態(tài)仿真頻率、振型對比

4.6綜合對比

白車身模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真綜合對比見表2。

對比白車身模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真的頻率和振型，模態(tài)仿真結(jié)果略小于模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，這是因?yàn)槟B(tài)仿真中所有零件料厚是均勻一致的，且沒有涂裝過。整體模態(tài)中模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真的誤差基本小于7%，而局部模態(tài)中模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真的最大誤差為11%，這與模態(tài)試驗(yàn)的測點(diǎn)分布有很大關(guān)系。為此，對白車身模態(tài)試驗(yàn)測點(diǎn)分布提出如下要求：

1）后地板臥鋪總成無測點(diǎn)，該部位局部模態(tài)在模態(tài)試驗(yàn)中無法體現(xiàn)，甚至給模態(tài)識別帶來一定困擾。

2）被頂蓋包圍在內(nèi)的后圍上端無測點(diǎn)，該處局部模態(tài)無法在模態(tài)試驗(yàn)中體現(xiàn)，模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真振型無法完全對應(yīng)。

3）前圍板中間部位無測點(diǎn)，前檔風(fēng)窗上邊與頂蓋之間測點(diǎn)偏少，導(dǎo)致該部位局部模態(tài)在模態(tài)試驗(yàn)中識別困難。

4）擋泥板支架處無測點(diǎn)，模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真中擋泥板局部模態(tài)結(jié)果無法對比。

5）建議在測點(diǎn)總數(shù)不變的情況下，可減少頂蓋測點(diǎn)，在上述部位相應(yīng)增加測點(diǎn)。

5　結(jié)論與建議

1）如果模態(tài)仿真中白車身前端扭轉(zhuǎn)頻率與模態(tài)試驗(yàn)值相差較大，在模態(tài)仿真中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注A柱上、下接頭處焊點(diǎn)信息是否正確，該位置焊點(diǎn)對白車身前端扭轉(zhuǎn)頻率貢獻(xiàn)很大。

2）通過白車身模態(tài)仿真可知，頂蓋加強(qiáng)梁的位置、連接方式和膠粘的材料屬性對頂蓋局部模態(tài)影響較大。CAD工程師在確定頂蓋橫梁位置前，建議先進(jìn)行相應(yīng)仿真分析以確定最佳位置。

3）為更好對比模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真結(jié)果，模態(tài)試驗(yàn)的測點(diǎn)除均布在白車身外表面外，還應(yīng)在模態(tài)仿真中出現(xiàn)局部模態(tài)位置增加測點(diǎn)。

［1］徐茂林，胡溧.某型薄板沖壓件骨架式白車身結(jié)構(gòu)及模態(tài)分析［J］.汽車科技，2013，（2）：53～56.

［2］傅志方.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.

［3］白化同等.模態(tài)分析理論與試驗(yàn)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.

［4］鄧麗梅，鄧亞東，趙寧，宋紀(jì)俠.輕型貨車車身有限元模態(tài)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造，2008，（3）：8～9.

［5］劉盼，夏湯忠，王萍萍等.轎車車身模態(tài)及扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析.汽車科技，2011，（6）：42～45.

專家推薦

聶昕：

作者對比分析模態(tài)試驗(yàn)與模態(tài)仿真的結(jié)果，提出模態(tài)試驗(yàn)中測點(diǎn)分布對模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果識別有影響，模態(tài)仿真中焊點(diǎn)布局、頂蓋加強(qiáng)梁位置對模態(tài)仿真有較大影響，并給出了模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)仿真過程中的建議，對汽車試驗(yàn)及仿真研究人員及工程師有一定的借鑒、參考作用。建議發(fā)表。

Research of BIW Modal Test and Modal Simulation

SONG Ji-xia，WANG Yan，ZHANG Rui，WAN Chang-lin，LIN Ming-jin
（Commercial Product R&D Institute Dongfeng Automobile CO.，LTD.，Wuhan，430057，China）

Modal test was carried out by using LMS testing equipments. Modal simulation of BIW was simulated with CAE technology. Comparing the results of modal test and modal simulation，the measure points distribution of modal test had influence on modal identification，welding spots layout and position of roof strengthen beam had bigger influence on modal simulation. The advice during modal test and modal simulation was proposed.

BIW； modal test； modal simulation

2016-04-21

U463.8

A

1005-2550（2016）04-0083-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.04.015