陳 云 陳艷華

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

1 有限元分析模型

有限元分析是借助離散化單元來對(duì)連續(xù)的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析的重要方法，通過采用節(jié)點(diǎn)計(jì)算的模式對(duì)不完整的曲面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐次分析，以點(diǎn)代面的形式對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行綜合耦合，使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。由于該方法廣泛地應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，因此該單元組集體也被稱作結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型。在建立車身模型時(shí)，需要遵循能夠充分反映車身主要力學(xué)結(jié)構(gòu)特征和邊界約束條件的基本原則，同時(shí)還需要確保在分析正確性的基礎(chǔ)上不斷對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，該過程需要不斷進(jìn)行迭代計(jì)算，進(jìn)而有效地減少模型分析的煩瑣步驟。其中專業(yè)化的力學(xué)分析方法涵蓋了結(jié)構(gòu)力學(xué)以及材料力學(xué)等多種力學(xué)分析方法。在模型設(shè)計(jì)過程中主要是根據(jù)汽車結(jié)構(gòu)物件的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)確定物體周圍的物件分布情況進(jìn)行三維建模，繪制待定力分析圖，并根據(jù)研究對(duì)象確定分析路徑，確定模擬進(jìn)程中的平動(dòng)方程及轉(zhuǎn)動(dòng)方程來檢驗(yàn)所分析的全部力的合力和合力矩是否滿足實(shí)際汽車構(gòu)件給定物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果不滿足，則一定有遺漏或多余的性能構(gòu)件，必須重新進(jìn)行分析。

因此在建立車身模型時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注以下5個(gè)方面的探究?jī)?nèi)容：對(duì)車身模型進(jìn)行簡(jiǎn)化、對(duì)車身模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分、分析車身材料屬性、確定單元選擇以及對(duì)模型進(jìn)行裝備和連接[1]。

該文在建立CAE的技術(shù)分析模型時(shí)，車體本身的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)置主要是以轎車的中心線與車體的縱向中心線的交點(diǎn)作為座標(biāo)原點(diǎn)，并且沿著車體的縱向中心線指向?yàn)閄軸的正方向，同時(shí)車身向右為Y軸的正方向，垂直于底甲板向上的方向?yàn)閆軸的正方向[2]。在三維模型的結(jié)構(gòu)中需要對(duì)車身的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用三維可視化的建模方法，其流程順序依次為刪除包括小孔以及倒角等對(duì)結(jié)果有影響的幾何設(shè)計(jì)特征和參數(shù)，同時(shí)對(duì)焊接件進(jìn)行布爾求和的過程。采用SD實(shí)體對(duì)車身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)地網(wǎng)格劃分，此時(shí)設(shè)置單元的基本尺寸為7 mm。詳細(xì)的建模過程如下。

首先，在建立模型時(shí)，采用基準(zhǔn)尺寸為10 mm的QUASD4來對(duì)SHELL單元進(jìn)行劃分，而在部分小尺寸模型上則采用尺寸為3 mm的QUASD4進(jìn)行劃分，對(duì)于車身模型的非關(guān)鍵區(qū)域，將TRIA3單元應(yīng)用于幾何過渡區(qū)，代替一些精密材料，但是在整個(gè)模型的建立過程中，需要確保TRIA3單元的占比不超過5%，這對(duì)于材料的制作工藝和工法有極高的要求。

其次，在模型建立過程中，可以選擇用方孔來代替孔徑為6 mm～10 mm的區(qū)域，而對(duì)于直徑超過10 mm的孔徑，則需要保留下來，且孔周圍2圈需要保留偶數(shù)單元[3]，其他不重要的小型孔徑則可以忽略不計(jì)。

再次，在進(jìn)行車身模型的翻邊時(shí)，需要至少劃分2排網(wǎng)格，對(duì)于直徑超過3 mm的圓角可以予以保留，在需要聯(lián)合的部位，采用螺栓將其連接起來。

最后，在焊點(diǎn)時(shí)，應(yīng)用CWELD單元，其方向需要和連接殼單元的向量保持一致，焊縫需要借助CQUAD4以及CTRIA3進(jìn)行模擬，對(duì)多個(gè)角度、不同方向的局部應(yīng)力情況進(jìn)行考察，采用節(jié)點(diǎn)重合的方法選擇性地進(jìn)行節(jié)點(diǎn)重合，確保車身模型的網(wǎng)絡(luò)保持幾何匹配[4]。

在實(shí)際的模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中，將大面積的矩形狀測(cè)試樣板固定在支架上，支架的位置布局主要固定在振動(dòng)測(cè)試臺(tái)中，根據(jù)掃頻激勵(lì)的波動(dòng)方法通過支架將性能參數(shù)傳遞給板狀試樣，并根據(jù)試樣的采集數(shù)據(jù)探測(cè)到采樣曲線后對(duì)其進(jìn)行定量分析，有效地確定減震百分比以及阻尼因子數(shù)據(jù)。其中這2項(xiàng)性能參數(shù)也是考察減振性能的關(guān)鍵。

對(duì)車身所提供的數(shù)字模型進(jìn)行分析后，確定白車身在攜帶玻璃的情況下其有限元模型單元共有547251個(gè)，節(jié)點(diǎn)有569239個(gè)。

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要是一種研究系統(tǒng)振動(dòng)特性的基本分析方法，在實(shí)際的應(yīng)用中可以區(qū)分為解析模態(tài)分析以及試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析2種方法。該文的分析進(jìn)程中對(duì)2種方法都進(jìn)行了設(shè)計(jì)。解析法是根據(jù)汽車車型結(jié)構(gòu)的幾何形狀、邊界條件和材料特征，并利用質(zhì)量矩陣、剛度矩陣以及阻尼矩陣來表示結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布和剛度分布，進(jìn)而有效地確定系統(tǒng)的參數(shù)模型（固有頻率、阻尼系數(shù)和模態(tài)振型）。同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)法能夠有效地確定CAE中模擬的參數(shù)結(jié)果，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)可以將得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻響函數(shù)，即作為頻率函數(shù)的輸出輸入之比。

無阻尼模態(tài)分析的方法是模態(tài)分析中經(jīng)典的特征值求解理論，其動(dòng)力學(xué)問題的求解方程如公式（1）所示。

式中：[M]{x″}為質(zhì)量矩陣，[K]{x′}為整個(gè)系統(tǒng)的剛度伴隨矩陣；{0}為平衡矩陣的數(shù)值解析結(jié)果。

因此，根據(jù)振動(dòng)理論的相關(guān)內(nèi)容可知，任何彈性體的自由振動(dòng)過程都可以被分解成一些簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加過程，此時(shí)位移的變化為正弦函數(shù)，如公式（2）所示。

式中：x為水平方向位移變化點(diǎn)；X為振幅；t為時(shí)間，s。

將公式（2）帶入公式（1）中進(jìn)行求解得到公式（3）。

式中：[K]為剛度值，[M]為質(zhì)量值，{x}為矩陣值。

求解該方程的特征方程情況，即可得到相應(yīng)的特征值和特征向量值。由于ω為特征向量的特征值ωi對(duì)應(yīng)的頻軸率，因此模態(tài)分析的過程本質(zhì)上就是對(duì)特征值以及特征向量的求解，因此也被稱為模態(tài)提取過程[5]。

對(duì)于汽車來說，在制造汽車時(shí)，其各個(gè)系統(tǒng)處于相互關(guān)聯(lián)的工作狀態(tài)，因此對(duì)汽車車身的模態(tài)規(guī)劃就是指對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的頻率范圍進(jìn)行界定的過程，需要有效地避免因各系統(tǒng)振動(dòng)頻率一致而導(dǎo)致車身穩(wěn)定性下降，同時(shí)對(duì)各個(gè)系統(tǒng)頻率進(jìn)行界定還能夠提升車身的整體剛度。車身作為駕駛?cè)撕统俗说妮d體，其穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系人的感受和安全性[6]。相關(guān)研究表明，白車身的模態(tài)對(duì)于車身的貢獻(xiàn)率達(dá)到了60%以上，因此對(duì)白車模型進(jìn)行分析就十分重要。建立的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)分析模型如圖1所示。

圖1 一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)

在汽車實(shí)際行駛進(jìn)程中，受到汽車本身發(fā)動(dòng)機(jī)固有轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的影響以及汽車行駛路面振動(dòng)頻率的激勵(lì)影響等綜合作用，汽車車身壁板容易產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，因此在振動(dòng)激勵(lì)作用下極易產(chǎn)生振幅噪聲，這會(huì)對(duì)車輛的NVH性能（噪聲、振動(dòng)以及聲振粗糙度）產(chǎn)生巨大的影響。同時(shí)NVH性能也是綜合衡量車輛品質(zhì)優(yōu)越程度的重要指標(biāo)之一，因此采用簡(jiǎn)便的處理方法能夠有效地減少性能參數(shù)損失。例如在車身壁板上粘貼合適的阻尼材料，阻尼材料能夠有效地將振動(dòng)過程中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能并最終消耗掉，進(jìn)而有效地實(shí)現(xiàn)了車身壁板減振的目的。同時(shí)在轉(zhuǎn)化過程中也有效地降低了輻射出來的噪聲，提升了車輛運(yùn)行的綜合性能。目前材料阻尼的性能測(cè)試方法主要為強(qiáng)迫共振法、強(qiáng)迫非共法以及自由振動(dòng)法等方法；因此該文根據(jù)對(duì)應(yīng)的參數(shù)模擬可知，模擬模型符合實(shí)際汽車模型的運(yùn)行狀況。SUV汽車在行駛的過程中，需要承受來自外界和內(nèi)部多個(gè)激勵(lì)源的激勵(lì)，尤其是對(duì)于四缸機(jī)汽車來說，在其處于750 r/min時(shí)怠速下的激振主頻率為25 Hz以及50 Hz。根據(jù)上述指標(biāo)，在行駛時(shí)的額定功率為183 Hz；但是當(dāng)處于怠速狀態(tài)時(shí)，與白車身本身的振動(dòng)低頻頻率非常接近，因此在怠速狀態(tài)時(shí)很容易產(chǎn)生車身共振，進(jìn)而造成駕駛體驗(yàn)，給實(shí)際的運(yùn)行進(jìn)程帶來影響。圖1顯示了在一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)狀態(tài)下的振動(dòng)薄弱點(diǎn)，可以看出，懸架下是整個(gè)車身的薄弱點(diǎn)。懸架的簧下質(zhì)量一般為簧上質(zhì)量的1/10，而輪胎的剛度是懸架彈簧的5～10倍，簧下質(zhì)量的固有頻率通常要超出簧上質(zhì)量的10倍，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)進(jìn)程中，頻率的振動(dòng)工況通常需要控制在2 Hz，這與人步行時(shí)的頻率基本上保持一致，因此乘坐者在車上將會(huì)有舒適的感覺。而當(dāng)輪胎不平衡時(shí)也會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)，該激勵(lì)的頻率在1 Hz以下，激振程度較低[7]。該文的研究?jī)?nèi)容與當(dāng)前SUV汽車的研究?jī)?nèi)容做了橫向?qū)Ρ龋囋谡０赜吐访嬉缘陀?50 km/h的速度行駛時(shí)，路面的激勵(lì)頻率是不超過21 Hz的，因此汽車車身的固有頻率需要超過21 Hz。同時(shí)相關(guān)的研究結(jié)果也表明，建議將激振頻率設(shè)計(jì)在25 Hz以上，此時(shí)傳動(dòng)軸導(dǎo)致的激勵(lì)一般會(huì)超過40 Hz，分量較小，因此對(duì)白車身的影響也不會(huì)很大。同時(shí)方向盤一階模態(tài)的振動(dòng)頻率大約為80 Hz，其產(chǎn)生的橫向和縱向振動(dòng)大約為35 Hz，排氣系統(tǒng)一階垂向和橫向的振動(dòng)頻率大約為24 Hz，為了有效規(guī)避車廂空腔的低頻振動(dòng)，需要避開第一階空腔的共鳴頻率，該類型的車行攜帶座椅后期一階頻率通常保持在50 Hz～70 Hz，而車身壁板的結(jié)構(gòu)模態(tài)需要避免與車廂運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的聲學(xué)模型匹配。

針對(duì)以上分析數(shù)據(jù)，對(duì)于SUV白車身來說，制定了如下標(biāo)準(zhǔn)：在進(jìn)行局部模態(tài)的制定時(shí)，其頻率要大于40 Hz，第一階段扭需要大于30 Hz，第一階段的彎曲程度需要大于40 Hz。通過對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝浑A段扭轉(zhuǎn)小于30 Hz時(shí)，無法滿足車身的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，D柱下的加強(qiáng)版也存在優(yōu)化空間，其后背門上部局部模型不夠理想，因此在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整改時(shí)，需要對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，才能有效地保證車體運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少共振現(xiàn)象的發(fā)生。

3 SUV白車身模態(tài)優(yōu)化的措施

汽車的振動(dòng)是不同階段模態(tài)振動(dòng)的綜合體現(xiàn)。在前幾個(gè)階段，車身的整體模態(tài)發(fā)揮重要作用。通過上述分析可知，在車身運(yùn)作時(shí)，最主要的激勵(lì)來自路面對(duì)車輪的沖擊以及發(fā)動(dòng)機(jī)本身的振動(dòng)，因此在對(duì)汽車進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要從避免激振頻率入手，提升車身整體舒適度并且延長(zhǎng)車身的使用壽命。通常情況下，Trimmed Body模態(tài)相比于白車身模態(tài)將會(huì)下降大約10 Hz，而承載式車身的彎曲剛度一般要高于扭轉(zhuǎn)高度。另外，為了避免白車各個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)共振，在進(jìn)行整車制定時(shí)需要對(duì)車型頻率進(jìn)行規(guī)劃，因此在對(duì)實(shí)際車身模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)時(shí)，其主要目的是加強(qiáng)車身的自身剛度，改變車身各個(gè)系統(tǒng)固有頻率的分布，使車身的質(zhì)量分布更加合理。在對(duì)車身進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，需要從以下3個(gè)方面入手進(jìn)行分析：1） 在車身連接的重要接頭處采用多層焊接等方法來提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而提升整體剛度。2） 盡可能選擇靈敏度較高的零件材料，針對(duì)靈敏度較低的零件，則需要采用降低材料厚度、挖孔或者取消零件的方法；在重要零件的接頭處，需要加強(qiáng)焊接并且設(shè)置合理的加強(qiáng)筋，從而提升整體剛度。3） 對(duì)車身的傳力路線進(jìn)行優(yōu)化，盡量避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，同時(shí)對(duì)車身模型的應(yīng)力分布進(jìn)行改善。

對(duì)此，該文結(jié)合實(shí)際的加工技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)分析的變化區(qū)間進(jìn)行了詳細(xì)探究，通過不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)區(qū)間的頻率變化來確認(rèn)結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，加工方法見表1。

表1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，不同的節(jié)點(diǎn)都存在因頻率變化所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)問題，對(duì)此該文也給出了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化方法。當(dāng)振動(dòng)頻率為26.67 Hz時(shí)是整車頻率變化的分界點(diǎn)，此時(shí)頻率區(qū)間段再次上升，需要對(duì)接頭進(jìn)行優(yōu)化，保證正常的搭接關(guān)系才能充分地保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。當(dāng)頻率降低時(shí)，也可以采用直接取消加強(qiáng)版的形式來保證整車運(yùn)行的穩(wěn)定性。

同時(shí)在實(shí)際的測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，D柱下加強(qiáng)板的剛度貢獻(xiàn)值小于預(yù)測(cè)值，但是該加強(qiáng)板的質(zhì)量卻很大，因此研究人員決定取消該零件，將減少的重量放在剛度貢獻(xiàn)更大的零件上。通過對(duì)上接頭應(yīng)力集中部分的傳力路徑進(jìn)行優(yōu)化，使整個(gè)車身的模態(tài)提升了1.25 Hz。另外，通過對(duì)上接頭局部以及輪罩撐板進(jìn)行優(yōu)化，并且在小隔板處施加小質(zhì)量的加強(qiáng)版。

除了上述方法外，在工程實(shí)踐的進(jìn)程中對(duì)模態(tài)的改進(jìn)還可以選擇涂覆隔振板、激光拼焊，并且投入大量質(zhì)量較輕的鋼、鋁以及塑料等。在通過對(duì)車身模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化后，可以發(fā)現(xiàn)車身后圍外板、后圍內(nèi)板、左D柱內(nèi)板、右D柱內(nèi)板、左后流水槽以及右后流水槽的板厚與之前相比有明顯下降，同時(shí)其靈敏度則有顯著提升。

另外，對(duì)于白車全局來說，合適的彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)具有重要的意義，因此通過對(duì)彎曲模態(tài)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果和頻率變化進(jìn)行綜合分析。該文通過綜合考慮表1的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來探討結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)?yōu)化的參數(shù)變化與頻率之間的結(jié)果對(duì)比情況，結(jié)果見表2。

表2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)質(zhì)量和頻率影響結(jié)果

表2中，不同的改進(jìn)措施也會(huì)反作用于汽車整體質(zhì)量的變化，此時(shí)對(duì)整車的頻率變化也有一定的影響。通過分析相關(guān)性的分析數(shù)據(jù)可以得到，質(zhì)量變化與整車的頻率變化不成正比，這是由于不同位置節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)性能參數(shù)中所占有的權(quán)重比例不相同，因此在探究頻率變化時(shí)，需要重點(diǎn)對(duì)調(diào)整部位的參數(shù)情況進(jìn)行詳細(xì)探究。同時(shí)不同部位之間也會(huì)存在耦合關(guān)系，在實(shí)際的調(diào)整進(jìn)程中往往會(huì)出現(xiàn)“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的效應(yīng)，也會(huì)對(duì)頻率的變化產(chǎn)生影響。在綜合考慮質(zhì)量-頻率-扭轉(zhuǎn)模態(tài)的動(dòng)態(tài)性能下，需要充分考證彼此的關(guān)系。當(dāng)扭轉(zhuǎn)模態(tài)低于目標(biāo)值、彎曲模態(tài)則高于目標(biāo)值時(shí)，就不符合實(shí)際要求。因此在對(duì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，主要對(duì)尺寸、形狀以及更改節(jié)點(diǎn)3個(gè)方面同時(shí)入手進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)語

綜上所述，該文以某SUV白色車身改進(jìn)項(xiàng)目為例入手進(jìn)行分析，通過從整車結(jié)構(gòu)入手建立有限元模型，幫助在改進(jìn)設(shè)計(jì)過程中找出了影響整車模態(tài)的關(guān)鍵零部件以及模態(tài)靈敏度，同時(shí)對(duì)靈敏度較高的零件進(jìn)行加固等改進(jìn)優(yōu)化措施，在優(yōu)化之后，SUV白車身的自身質(zhì)量得到了降低，降低質(zhì)量達(dá)到了2.371 kg，同時(shí)一階扭轉(zhuǎn)提升了5.56 Hz，該優(yōu)化結(jié)果符合項(xiàng)目對(duì)白車身模態(tài)優(yōu)化的改進(jìn)目標(biāo)。