非承載式SUV白車身結構分析及優化

韓紅陽+陳有松+徐穎+王樹英

摘要： 以某全新開發的SUV非承載式車身為研究對象，建立V91車身有限元模型，并進行模態分析.為使車身1階模態滿足目標值要求，對車身進行靈敏度分析和截面剛度分析，并提出改進方案.經過優化，車身的1階彎曲模態提升7.8%，1階扭轉模態提升25.7%.研究結果可為企業研發非承載式SUV車身提供參考.

關鍵詞： 白車身； 彎曲剛度； 扭轉剛度； 斷面剛度； 靈敏度分析； 模態頻率

中圖分類號： U463.82文獻標志碼： B

Abstract： Taking a new design of the body of bodyonframe type of SUV for the research example， the finite element model is built for V91 body and the modal analysis is performed on it. To make the first order mode meet the requirement of target value， the sensitivity and cross section stiffness is analyzed and an improvement scheme is proposed. By optimization， the first order bending mode of vehicle body is increased by 7.8% and the first order torsion mode is increased by 25.7%. The research results can provide reference for enterprise to develop body of bodyonframe type of SUV.

Key words： bodyinwhite； bending stiffness； torsion stiffness； cross section stiffness； sensitivity analysis； modal frequency

0引言

越野車或大型SUV一般采用非承載式車身和承載式車架，車身與車架通過懸置軟墊連接.雖然車架是主要承載部件，但白車身也承擔很大一部分載荷，其作用不能忽略.[1]白車身模態參數表征車身的固有頻率和振動特性，會影響乘坐舒適性，還會對車身壽命、剛度、強度、可靠性造成影響.[2]白車身模態是汽車NVH傳遞函數、動態頻率響應的基礎，其重要性不容忽視.為避開外部激勵和發動機及傳動系統的激勵，需在整車開發前期分析和優化白車身固有頻率，保證白車身模態性能滿足整車技術規范要求.[34]本文以全新開發的某非承載式SUV車身V91為研究對象，首先對競品車進行模態試驗和有限元仿真對標，以保證有限元建模方法的準確性；在此基礎上，建立V91車身的有限元模型進行自由模態分析.為使整體模態滿足目標值要求，對V91白車身進行靈敏度和截面剛度分析，并提出優化方案.經過改進，白車身模態性能滿足目標值要求.

1競品車的仿真與試驗對標

1.1競品車車身仿真模型的建立及模態分析

使用HyperMesh前處理軟件對競品車白車身進行網格劃分.車身件大多數是鈑金件，一般采用殼單元模擬.本文采用四邊形單元和三角形單元劃分網格，網格的平均尺寸為8 mm.為保證仿真模型和計算結果精度，對單元質量進行控制，單元質量參數見表1.膨脹膠和結構膠使用Solid單元模擬，點焊使用Solid和RBE3單元模擬.

使用MSC Nastran求解器計算競品車白車身的自由模態，由于前6階為剛體模態，所以計算時沒有考慮[5].經仿真計算：競品車白車身的1階扭轉模態為25.9 Hz，1階彎曲模態為28.5 Hz.扭轉和彎曲模態仿真結果分別見圖1和2.

1.2模態試驗驗證

為更全面地表征白車身的振型變化，除3個激振點外共布置168個測點，對這些測點分別進行x，y和z這3個方向的振動加速度信號采集.采用多點激振多點拾振法，同時在白車身x，y和z這3個方向進行激振和拾振.為減小附加質量的影響、提高測試精度，使用質量和體積較小的PCB加速度傳感器.白車身采用懸吊安裝方式，使用橡皮繩在前車頸處和后部將車身懸吊，懸吊頻率為1.5 Hz.白車身懸吊方式見圖3.試驗主要研究100 Hz以下的低頻模態，采用猝發隨機信號激振白車身，其信號采集時的采樣頻率為512 Hz，信號平均次數為20次，采樣時間為160 s.

通過對3個激振點的自功率譜分析可知，3處激振點的自功率譜都很均勻，表明其在100 Hz內可以將能量均勻分布，符合要求.3處激振點的自功率譜密度函數見圖4.

各測點的傳遞函數試驗數據處理與數據采集同步進行，每采好一批信號，立即觀察其相干性，確保信號的相干因數在0.85以上.[6]所采集信號的相干因數見圖5，試驗的信號相干因數大于0.90，符合要求.所有測點的響應信號測試完成后，最后再完成白車身的模態定階和擬合工作，獲得其模態質量、模態剛度和模態阻尼等模態參數.

經試驗，測得競品車白車身1階扭轉模態為25.9 Hz，1階彎曲模態為28.5 Hz.將試驗測得值與仿真模態值進行對比，見表2.1階扭轉模態誤差為1.2%，1階彎曲模型誤差為2.5%.試驗與仿真的誤差在5%之內且振型一致，符合工程精度要求.因此，有限元模型建模及分析方法有效，可以用有限元模態仿真來代替傳統的模態試驗.

2V91白車身模態分析

新車開發前期因無實車進行模態試驗，只能通過仿真對白車身模態進行評估.按照競品車同樣的建模方法和標準，建立V91白車身有限元模型，計算V91白車身的自由模態：1階扭轉模態為21.8 Hz，1階彎曲模態為26.8 Hz，其振型見圖6和7.V91原始方案與競品車結果對比見表3.與競品車相比，V91的1階扭轉和1階彎曲分別比競品車差16.7%和8.3%.分析差異原因，競品車是無天窗車型，座位數為5座；V91是全景天窗車型，座位數是7座，整車尺寸更大，質量更大.研究表明，帶天窗車身比無天窗車身扭轉剛度低10%～20%.因此，模態值有一定程度的降低.由此可知，仿真結果可信，具有一定的參考價值.

3.1靈敏度分析

為提升白車身的1階扭轉模態，項目前期通過靈敏度分析識別對扭轉模態影響較大的零件.本文選取C柱以后的零件（排除對碰撞安全和NVH有較大影響的頂蓋、座椅橫梁等零件）料厚作為設計變量，以白車身1階扭轉模態為約束函數，優化目標為白車身質量輕.零件編號及其靈敏度排序見圖8.

3.2斷面剛度分析和優化

靈敏度高的零件1，2和10對扭轉模態較敏感，但盲目提高厚度不符合項目經濟性要求.[78]靈敏度高的零件自身剛度及周邊結構搭接的形式對扭轉模態也非常敏感.白車身斷面包括開口和閉口2種形式，斷面形狀和尺寸對其斷面特性影響很大.[910]綜合靈敏度分析及斷面剛度因素，本文對D柱關鍵斷面進行優化.經對比，優化后的斷面截面積增大26.6%，最大慣性矩提升32.7%，扭轉常數提升1.5%.斷面參數對比見表4.D柱截面位置及優化前后斷面對比分別見圖9和10.

4改進方案模態驗證

在對車身D柱和其他接頭處進行結構優化后，重新對白車身自由模態進行計算，結果見表5.優化后的白車身的1階彎曲模態為28.9 Hz，比原方案提升7.8%，1階扭轉模態為27.4 Hz，比原方案提升25.7%，整體模態值達到目標值要求.圖 9D柱截面位置示意

5結論

（1）建立競品車仿真模型，對競品車進行自由模態試驗，將仿真結果與試驗模態結果進行對比，驗證建模方法的有效性.在此基礎上建立V91 SUV白車身模型，并計算1階彎曲和扭轉模態.

（2）為使車身1階模態滿足目標值要求，對車身進行靈敏度優化及截面剛度分析，在此基礎上提出改進方案并進行驗證.經結構優化，白車身1階彎曲模態提升7.8%，1階扭轉模態提升25.7%.

（3）優化后白車身整體1階模態雖然可避開發動機怠速頻率，但根據整車VTS要求，為避免1階彎曲模態與1階扭轉模態耦合，應保證兩者頻率值至少錯開3 Hz.后續將繼續對這2階整體模態進行優化，以改善整車的NVH性能，提升乘坐舒適性.參考文獻：

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