某轎車白車身模態仿真分析

田國紅，齊登科，孫立國（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

某轎車白車身模態仿真分析

田國紅，齊登科，孫立國
（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

摘 要：以某國產轎車白車身為研究對象，用HyperWorks軟件建立了以殼單元為主的白車身有限元模型，通過Nastran對該模型進行模態分析計算，得到白車身的各階模態頻率和模態特性。結合模態分析結果，分析汽車運行時來自于外界和內部激勵源的振動，為該款車后續的動態特性改進設計提供參考。

關鍵字：白車身；Hyperworks；模態分析；激勵源；有限元

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.016

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-38-03

引言

現代汽車可以看作一個復雜的多自由度振動系統，在受到外界激勵時會產生振動。當外界的激振源頻率與汽車系統固有頻率接近或相同時，會使汽車與其產生共振。車身是轎車重要組成部分，被看作是一個連續的彈性結構系統，其固有振動頻率表現為無限多的固有模態。低階模態多是整體振型，如整體扭轉、彎曲振型；高階模態多是一些局部的振型，如地板振型、車頂振型等。汽車NVH性能對整車模態分布是否合理影響較大[1]，因而模態分析在汽車設計和研究過程中得到廣泛應用。模態分析技術是一門重要的工程技術，對車身結構進行模態分析在車身結構動態特性分析和結構優化方面意義重大[2]。本文以某款轎車為研究對象，先通過對3D白車身模型的建立，然后在Hypermesh中進行有限元劃分，最后在對其進行模態計算和分析。

1、白車身模態分析理論

模態分析是以線性振動理論為基礎，以模態參數為目標，研究激勵、系統、響應三者的關系。主要是運用有限元法對振動結構進行離散，建立系統特征值問題的數學模型，求取系統特征值與特征向量，即相當于求取系統的固有頻率和模態振型[3]。

模態求解就是提取振動系統的動力學微分方程的特征值(頻率)和特征向量（振型）。通過分析車身低階模態頻率和模態振型，一方面能考察車身的整體剛度特性，另一方面還可以優化車身結構，從而使車身模態頻率避開來自多方面的激振頻率。所以說，科研人員在白車身的結構設計過程中，車身整體的低階模態是重要的不可忽視的一塊。

對于一個N自由度線性定常系統，其運動方程可寫成：

(1)式中，[M]、[C]、[K]、{x}、{r}分別指結構質量、阻尼、剛度矩陣、位移響應向量、激勵力向量。進行模態分析，主要求解固有頻率和振型參數，與外載荷無關，可以使{r}={0},則可得系統的自由振動方程。在計算固有頻率和固有振型時,結構阻尼影響很小，可以忽略不計，這時可得無阻尼自由振動的運動方程:

其對應的特征方程為：

式（3）中，ωi是自由振動固有頻率，由（3）可得N個自由度的系統有N個固有頻率。上式轉化為實特征值問題,{￠}有非零解的充要條件是：解方程可得到一組頻率解ωi(i=1,2,…,n)，代入式(3)可得每一頻率下對應的位移。

2、白車身有限元模型的建立

轎車白車身是一種復雜的鈑金沖壓結構，由多個鈑金壓件焊接組成。其由多個總成組成，包括發動機艙總成，地板總成，后圍總成，頂蓋總成，左側和右側總成等。本文先利用3D軟件CATIA建立白車身的幾何模型，并根據FEM計算的需要和要求，進行必要的簡化，在模型建立完成之后，將幾何模型轉化為IGES格式文件，導入到有限元前處理軟件Hypermesh中。 圖1為白車身建模流程。

白車身有限元建模的基礎及主要工作就是白車身有限元的前處理。處理完之后最終達到所需要的網格質量要求，并對其進行添加焊點單元。整個車身有523093個殼單元，其中三角形單元18831個，占2D單元的3.6%。本文建立某轎車白車身的有限元模型如圖2所示，網格質量要求如表1所示：

表1　網格質量要求

3、白車身模態分析

在建立有限元模型后，經輸出參數設定，利用Nastran求解器應用Lanczos算法計算白車身60Hz以下的固有頻率和振型。白車身模態分析重點關注第 1 階彎、扭等整體模態頻率，但為了全面分析該車的白車身模態，提取了前7的模態振型，如圖3所示。

從圖3中的模態振型可觀察到，前圍板、前橫梁、頂棚和后備箱地板覆蓋面積大而薄的沖壓件，因其剛度小而易產生局部模態。排除局部模態對整體結構模態的影響，得到白車身的整體模態。圖1為各階模態頻率和振型。

表1　各階模態頻率和振型

通過表1中的模態分析，發現只有第2階和第6階模態是整車模態，其余都是局部模態。白車身結構在安裝車身附件后，其整體模態變化也很小，因此對其進行研究可以改善汽車的振動特性。而局部模態在安裝車身附件后變化很大，有的會因附件的安裝該階模態會消失，因而模態分析時只關注整車的模態。當頻率為32.9Hz時為整車一階扭轉模態，當頻率為55.2Hz時為整車一階彎曲模態，其余各階模態均為局部模態或者多個局部模態的疊加。

據研究人員發現，汽車運行時來自各種外界和內部激勵源的激勵，這些激勵主要包括：

1.車輪不平衡會引起振動，引起的激振頻率一般低于11Hz，隨著現在輪軸制造質量及檢測水平的提高，此激勵分量較小，易于避免。

2.來自路面激勵是由道路條件決定，其激勵頻率為1-3Hz，對低頻振動影響比較大。

3.發動機引引起的振動分為兩部分：怠速和經濟轉速。怠速時的激振頻率在25Hz左右(怠速為750r/min,4缸發動機)，此激勵分量較大。在經濟轉速行駛時（r=3000r/min，4缸發動機），激振頻率較大（大于100Hz），在這些頻率的激勵下白車身呈現局部模態，對白車身整體影響不大，不必對其做過多考慮。

4.在城市行駛時，車速控制在20-80Km/h，高速公路上車速控制在80-120KnFh，一般轎車傳動軸不平衡引起的振動頻率范圍在40Hz（經驗值）以上，但此激勵分量較小。

通過以上各種激勵源的分析可以知道，當固有頻率為32.9Hz和55.2Hz時，可以有效避開各激勵源的頻率值和頻率分量，設計比較合理。當汽車正常行駛時，發動機的激振頻率已經遠大于汽車的整體模態頻率，不會引起汽車的共振。

4、結論

本文根據某款轎車建立了白車身的模態分析有限元模型，計算了0-60Hz范圍內的自由狀態下的振動響應，然后對模態振型和對應的頻率進行說明，并根據局部模態和整體模態對其影響，去掉局部的模態頻率和振型，最后得出此款車型的整體模態對應的固有頻率。在此固有頻率下能夠很好避開各種外部和內部的激勵源對應的頻率，從而可以避免共振的發生。 通過對此款車的白車身模態分析，了解了白車身的基本模態屬性，為以后汽車頻率響應分析、NVH分析奠定了基礎，為后續的設計改進、試驗提供了理論依據。

參考文獻

[1] 于國飛.Hyperworks在汽車白車身模態分析中的應用[J].廈門理工學院學報,2012,7(9):11-15.

[2] 孟祥禹.白車身結構模態分析及參數模態的優化設計[M].東北大學,2009.

[3] 鮑恩濤.汽車排氣系統動態特性研究[M].安徽:合肥工業大學, 2012.

[4] 汪成明.轎車白車身模態分析及其優化[M].合肥工業大學,2007.

[5] 梁君,趙等峰.模態分析方法綜述[J].現代制造工程,2006(8): 139-141.

[6] 張攀,雷剛,廖林清.某汽車白車身模態分析[J].重慶工學學報,2008(3):97-99.

Modal Simulation Analysis of Car's Body-In-White

Tian Guohong, Qi Dengke, Sun Liguo
（Liaoning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）

Abstract:Taking a domestic car white body as the research object, In this paper, the FEM model of a car's body-in-white is created with Hypermesh FEM soft-ware. A modal simulation is done to analyze the BIW by the software Nastran,so as to get the different orders modal frequency and modal characteristics. In combination with the modal analysis results, analysis the vibratio from the internal and external exciting source when the car running ,which will supply the reference standard for dynamic design of the subsequent improvement of the car design.

Keywords:body-in-white; Hyperworks; modal analysis; Excitation source; FEM

作者簡介：齊登科，就職于遼寧工業大學汽車與交通工程學院。

中圖分類號：U467.3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2015)10-38-03