白車身模態靈敏度分析及減重優化

錢平，包鍵，李建新

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434）

白車身模態靈敏度分析及減重優化

錢平，包鍵，李建新

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434）

基于白車身有限元模型，分析了白車身的自由模態，得到了一階彎扭模態；研究各鈑金件厚度對彎扭模態的貢獻量，找出了影響較大的鈑金件。根據分析結果確定了優化方案，在保證彎扭模態不降低的情況下減重26.4 kg，為車身的輕量化設計提供明確的方向。

白車身；靈敏度分析；一階彎扭模態；輕量化

錢 平

現任于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，擔任車身及聲學包NVH分析工程師。

隨著汽車工業的發展，人們對車輛的經濟性和舒適性的要求越來越高，作為汽車性能開發的重要指標，車身結構模態以及白車身質量的優化具有具有重要意義[1]。研究表明，燃油經濟性與整車質量成反比，整車質量每減輕10%，燃油消耗量降低6%-8%[2]，因此車身輕量化系數是整車性能開發中的重要指標之一。另外，為提高整車的舒適性，避免行駛中車身與低頻激勵共振，還需合理設計車身結構的模態分布。

本文首先建立白車身有限元模型，然后對白車身的自由模態進行計算分析。根據模態分析結果，約束白車身一階彎扭模態，進行結構模態靈敏度分析。然后考察車身鈑金件對其彎扭模態的貢獻量，根據結果設定優化方案并驗證。

1 某白車身模態分析

本文以某型乘用車白車身為研究對象，對車身進行離散，車身鈑金件采用10 mm×10 mm的殼單元；焊點采用ACM單元模擬，焊點直徑為6 mm；焊縫用剛性單元模擬；車身粘膠采用實體單元；總裝件的螺栓連接用剛性單元連接。車身重量為480.7 kg；單元947 417個，節點886 984個，建立有限元模型如下圖所示。

采用Block Lanczos方法求解自由模態，其中前六階為剛體模態，在整車NVH分析中，一般只考慮彈性體模態，下表列出前六階彈性體自由模態。

表1 前六階彈性體自由模態

白車身的一階扭轉為32.77 Hz，一階彎曲振型為43.88 Hz。對于整車NVH性能來說，白車身彎扭模態應分布在合理范圍，本文重點考察各個鈑金件的厚度變化對白車身的一階彎曲和一階扭轉模態的靈敏度。

2 白車身模態靈敏度分析

2.1 理論基礎

優化和靈敏度分析首先需要將系統的主要參數，如材料密度、厚度，面積等設計參數用變量來參數化，這樣設計目標g與變量 之間就構成了一個函數關系g = G (v1,v2,…,vn)，同時設計變量還要滿足一定的約束方程。優化過程就是設計變量在滿足約束方程和取值范圍內，使目標達到最大或最小，可表示為[3]:

如果設計變量vi有 一個很小的變化vi，設計目標也會有個很小的變化，即

由于白車身的一階彎扭模態對整車的NVH性能影響較大，所以將一階扭轉和一階彎曲模態頻率對各個鈑金件厚度變化的敏感程度作為靈敏度評價指標，單位Hz/mm，表達式為[4]:

式中: f 為結構的頻率； h為鈑金件厚度；A為單元的表面積；為密度；E為彈性模量；為剛度矩陣中與 E 和 h無關的部分；fe是對應厚度為h的 單元e的分量組成的特征向量；為的轉置；是質量矩陣中與h無關的部分。

2.2 結構模態靈敏度分析

由于整個車身的鈑金件數量較多，同時考慮到設計變更的可行性，本文主要選取車身主體結構的框架鈑金件作為設計變量。約束白車身的一階扭轉模態大于40 Hz，一階彎曲模態大于46 Hz。考慮到白車身的輕量化設計，目標函數為最小化車身質量。

靈敏度分析是將設計變量的變化值迭代求解計算目標函數，即用割線法對目標函數中某點的導數逼近，本文對一階扭轉和一階彎曲模態進行靈敏度分析，部分結果如表2所示。

表2 靈敏度計算結果

分析模態靈敏度計算結果發現，后圍板和流水槽對一階扭轉模態的影響最大，另外頂棚后橫梁、后背門框上橫梁、B柱內外板、后縱梁，C柱加強板、前圍上蓋板等鈑金件的厚度變化對其影響也較大。應適當增加后縱梁、B柱內外板等的厚度，減小流水槽、頂棚后橫梁等的厚度；前縱梁和后門框上橫梁對一階彎曲模態的影響最大，另外D柱內外板、頂棚橫梁、前彎梁內外板等鈑金件的厚度變化對其影響也較大。

綜合考慮各個鈑金件對彎扭模態的貢獻量大小，確定減薄和增厚的鈑金件如下圖所示，通過改變這些鈑金件的厚度，能有效地提高白車身的一階彎扭模態。

2.3 優化方案驗證

在汽車設計中，不但要考慮到汽車的NVH性能，還要兼顧其他方面諸如輕量化設計、成本控制等，所以不可能無限制地增加鈑金件的厚度。

表3中的方案二減薄圖6中的鈑金件，增厚圖7中的所有鈑金件，白車身的一階彎扭模態得到有效的提升，但是車身重量也大幅增加，不利于車身性能的提升。方案一只減薄圖6中的鈑金件，其他零件厚度不變，車身一階扭轉模態提升，一階彎曲模態小幅降低，白車身質量減重26.4 kg，合理優化了白車身的性能。

表3 靈敏度計算結果

3 結論

本文系統的闡明了靈敏度分析的基本理論以及在白車身模態和輕量化設計中的應用，通過方案一的優化，合理分布了白車身的鈑金件厚度，不但提升了白車身的彎扭模態，還減重26.4 kg。

在車身的概念設計階段，結構模態靈敏度分析減少了優化的盲目性，極大的提高了性能設計人員的工作效率，縮短了產品開發設計周期，對提高汽車的車身結構性能起了重大作用。

[1] 辛勇, 葉盛, 鄢回洪. 基于靈敏度分析的轎車車身輕量化. 塑性工程學報[J], 2013, 20(6), 117-121.

[2] Joseph C. Benedyk. Light Materials in Automotive Applications[J]. Light Metal Age. 2000(10), 34-35.

[3]李增剛. Nastran快速入門與實例[M], 北京,國防工業出版社, 2007,156-157.

[4] 夏國林. 白車身動態靈敏度分析及優化設計, 設計研究[J], 2008,5(9), 37-40.

專家推薦

曾 斌：

該文章系統的闡明了靈敏度分析的基本理論，基于白車身有一階彎扭模態頻率，研究各鈑金件厚度對彎扭模態的貢獻量。根據分析結果確定了優化方案，在保證彎扭模態頻率基本一致的情況下減重26.4 kg，對車身結構性能提升改進具有一定的指導意義。該文章學術水平接近國內先進。文章內容完整，敘述層次分明，文字通順流暢，格式規范，推薦全文發表。

The Sensitivity Analysis and Weight Optimization of BIW Mode

QIAN Ping, BAO Jian, LI Jian-Xin
( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Automobile Engineering Institute, Guangzhou 511434, China )

Base on a MPV, the finite element model of the BIW is established, the first order torsion and bend mode is got through the free modal analysis of the BIW; The contribution of the shell to the first order torsion and bend mode is studied, and the more important component was found. The solution was found base on the results, the weight of BIW has been reduced 26.4 kg, offering a certain direction to the light weight design of BIW.

BIW; Sensitivity Analysis; First order torsion and bend; light weight

U463.82

A

1005-2550（2016）01-0026-03

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.005

2015-08-17