某車型車身NVH和強(qiáng)度的分析和優(yōu)化

覃鵬飛,謝貴山,劉麗佳,陳仁澤,李立

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著汽車市場的快速發(fā)展，顧客對汽車平順性、操縱穩(wěn)定性及乘坐舒適性的關(guān)注度和需求也越來越高。車身扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)是白車身性能重要評價指標(biāo),剛度和模態(tài)的高低決定了整車可靠耐久性能和NVH性能。在汽車研發(fā)過程中，NVH特性是汽車精品化設(shè)計十分注重的特性[1]。車身模態(tài)(單位Hz)為車身結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)有固定的振動頻率、阻尼比和模態(tài)振型。一階模態(tài)、一階扭轉(zhuǎn)在行駛中容易被外載荷(路面激勵、發(fā)動機(jī)怠速和工作轉(zhuǎn)速)激發(fā)，模態(tài)低時在車速達(dá)到一定值的時候明顯感覺到車身在抖動、處于不穩(wěn)定狀態(tài)，所以車身模態(tài)要達(dá)到設(shè)計要求，以避免跟激勵形成共振發(fā)生振動和噪聲。目前汽車市場較多車型采用承載式車身,承載式車身需要有足夠的剛度來承受來自路面多種載荷的作用[2]。車身的強(qiáng)度須保證其耐久可靠性，車身還須應(yīng)用合理的動態(tài)特性控制整車振動、噪聲，同時車身還需足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以在車輛碰撞時保護(hù)乘員的安全[3]。在國內(nèi)外,車身模態(tài)和強(qiáng)度分析已經(jīng)普遍應(yīng)用在汽車產(chǎn)品研發(fā)過程中,而且仿真計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好[4]。

文中以某改款三廂轎車車身為研究對象，用有限元軟件進(jìn)行車身強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)模態(tài)的虛擬分析，發(fā)現(xiàn)車身薄弱結(jié)構(gòu)區(qū)域，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化得到兼顧輕量化和性能的結(jié)構(gòu)方案，并對結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行實物驗證，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)方案滿足整車耐久性和NVH要求。

1 某三廂轎車改款車型的車身結(jié)構(gòu)開發(fā)

某車型為三廂乘用車的改款車型，改款前后排座椅是靠背不能翻轉(zhuǎn)折疊的形式,車身結(jié)構(gòu)帶有提高扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)的2根管梁支撐衣帽板。目前市場上很多車型都有2根管狀支撐梁支撐車身衣帽板和左、右側(cè)圍的車身結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能有效抑制整車扭轉(zhuǎn)工況下的車身變形，大大提高了白車身扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)。但該結(jié)構(gòu)有個功能缺點：管狀支撐梁的存在造成行李箱無法放置大件物品，無支撐梁的車型可翻轉(zhuǎn)放倒第二排座椅來擴(kuò)大行李箱容積以滿足大件物品放置需求。該項目改款要求座椅功能提升為靠背翻轉(zhuǎn)可折疊形式,車身不能保留原有的管梁支撐結(jié)構(gòu)，即滿足可翻轉(zhuǎn)放倒第二排座椅靠背擴(kuò)大行李箱容積的功能，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)差異造成在設(shè)計初期白車身扭轉(zhuǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)模態(tài)比原型車車身差很多，車身模態(tài)由原來53.9 Hz降低到45 Hz，降幅16.5%，車身結(jié)構(gòu)不滿足整車可靠耐久性性能和NVH要求。

鑒于某些車型因為車身扭轉(zhuǎn)模態(tài)低、強(qiáng)度不合格導(dǎo)致整車耐久性試驗鈑金開裂和噪聲大的NVH經(jīng)驗教訓(xùn)，為了使該車型的車身結(jié)構(gòu)滿足模態(tài)要求和車身耐久性要求，需要研究新結(jié)構(gòu)，解決因管狀支撐梁的結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的性能問題。設(shè)計目標(biāo)：滿足車身性能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，耐久性能優(yōu)異——車身扭轉(zhuǎn)模態(tài)大于48 Hz，結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度，車身結(jié)構(gòu)滿足第二排座椅靠背翻轉(zhuǎn)擴(kuò)大行李箱容積的功能要求。質(zhì)量成本目標(biāo)：改型車的車身質(zhì)量不大于原型車質(zhì)量，成本不大于原型車成本。制造要求：零件成型性好，容易焊接，總裝容易裝配。

圖1 改款車原設(shè)計狀態(tài)與原型車車身結(jié)構(gòu)對比

有限單元法在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)中被廣泛應(yīng)用于強(qiáng)度、剛度、模態(tài)分析，是可靠有效的數(shù)值計算方法[5]。有限單元法分析結(jié)果正確性的前提是建立合理可靠的限元模型[6]。文獻(xiàn)[6]中通過試驗和計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證有限元模型的可靠性。文獻(xiàn)[6]中在“準(zhǔn)確性”和“經(jīng)濟(jì)性”原則下采用HyperMesh軟件建立分析模型，計算求解器軟件為Nastran，鈑金件網(wǎng)格單元類型為Shell，單元尺寸10 mm，焊點、膠粘、螺栓分別采用acm、adhesives實體單元和rbe2剛性單元模擬；材料參數(shù)如表1所示；無約束；無載荷。分析結(jié)果讀取扭轉(zhuǎn)模態(tài)值和應(yīng)力值，如圖2所示。

表1 有限元分析參數(shù)表

圖2 有限元分析結(jié)果

因為改款車和原型車的主要差異是后側(cè)圍區(qū)域2根管狀支撐梁的差異，所以車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向集中在后側(cè)圍輪罩、衣帽板區(qū)域的連接加強(qiáng)。分析加強(qiáng)的方案如下：

優(yōu)化方案一：增加后地板支架(材料BLC，厚度1.2 mm)、連接板(材料BLC，厚度1.2 mm)；對應(yīng)更改后輪罩前加強(qiáng)板、后加強(qiáng)板(更改后與增加的后地板支架、連接板形成腔體連接)，延長后輪罩減震器安裝板，如圖3、圖4所示(圖片僅顯示左側(cè)，左右對稱更改)。

圖3 改型車原始設(shè)計狀態(tài)

圖4 優(yōu)化方案一

優(yōu)點：制造可行性高；質(zhì)量及成本滿足目標(biāo)；

缺點：結(jié)構(gòu)性能略低于目標(biāo)要求；增加和更改零件數(shù)量多，更改周期長費用高；車身結(jié)構(gòu)Y向占用行李箱空間。

優(yōu)化方案二：在方案一的基礎(chǔ)上增加輪罩外加強(qiáng)板，材料BLC，厚度t=1.0 mm,如圖5所示(圖片僅顯示左側(cè)，左右對稱更改)。

圖5 優(yōu)化方案二

優(yōu)點：制造可行性高；結(jié)構(gòu)性能滿足目標(biāo)要求。

缺點：對比方案一增加了3.436 kg，質(zhì)量及成本超出目標(biāo)；增加和更改零件數(shù)量多，更改周期長費用高；車身結(jié)構(gòu)Y向占用行李箱空間。

優(yōu)化方案三：在衣帽板和側(cè)圍拐角搭接處增加一個L形輪罩內(nèi)加強(qiáng)板，材料BLC,厚度t=1.2 mm；增加1個φ20 mm實心加強(qiáng)桿，材料20號鋼，如圖6所示(圖片僅顯示左側(cè)，左右對稱更改)。

圖6 優(yōu)化方案三

優(yōu)點：質(zhì)量、成本滿足目標(biāo)要求，制造可行性高。增加和更改零件數(shù)量少，更改周期短。

缺點：扭轉(zhuǎn)模態(tài)性能略低于目標(biāo)要求；衣帽板和側(cè)圍搭接拐角處存在高應(yīng)力，應(yīng)力接近材料屈服應(yīng)力，存在耐久路試開裂的風(fēng)險(設(shè)計經(jīng)驗：應(yīng)力不大于80%的材料屈服應(yīng)力)。

優(yōu)化方案四：在衣帽板和側(cè)圍拐角后側(cè)搭接處增加一個加強(qiáng)板，材料B280VK,厚度t=1.5 mm，如圖7所示(圖片僅顯示左側(cè)，左右對稱更改)。

圖7 優(yōu)化方案四

優(yōu)點：扭轉(zhuǎn)模態(tài)性能和車身強(qiáng)度滿足要求；質(zhì)量、成本滿足目標(biāo)要求；增加和更改零件數(shù)量少，更改周期短。

缺點：需要增加車身結(jié)構(gòu)膠連接，焊接設(shè)備需更改。

經(jīng)過分析對比，如表2所示：方案一、二不能同時滿足目標(biāo)要求，方案三基本滿足目標(biāo)要求(性能目標(biāo)接近，質(zhì)量成本優(yōu)于目標(biāo))，方案四滿足所有目標(biāo)要求。方案三對比方案四有質(zhì)量和成本優(yōu)勢，為了能實現(xiàn)成本和質(zhì)量最優(yōu)，選擇方案三、四同時軟工裝樣件實車驗證。

表2 各優(yōu)化方案虛擬分析結(jié)果對比

2 車身結(jié)構(gòu)驗證

對結(jié)構(gòu)方案三、四同時造車進(jìn)行實物驗證。實車測試后懸擺臂左側(cè)安裝點Z向激勵到前排座椅的噪聲響應(yīng)曲線，NTF響應(yīng)值在110～160 Hz頻率段內(nèi)降低5 dB，方案四比方案三改善程度更優(yōu)；實測發(fā)動機(jī)后懸置Z向激勵到后排座椅置腳點的噪聲響應(yīng)曲線，NTF響應(yīng)值在140～170 Hz頻率段內(nèi)降低5 dB，方案四比方案三改善程度更優(yōu)。

對車身強(qiáng)度進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久性試驗，優(yōu)化方案三在試驗進(jìn)行到壞路20 020 km時車身開裂，開裂區(qū)域正是有限元分析的高應(yīng)力區(qū)域，如圖8、圖9所示。

圖8 優(yōu)化方案三的耐久路試試驗開裂圖片

優(yōu)化方案四完成所有結(jié)構(gòu)耐久試驗里程該區(qū)域無開裂故障，如圖10所示。經(jīng)上述驗證對比，將方案四作為正式結(jié)構(gòu)方案實施。

圖9 優(yōu)化方案三路試驗證結(jié)果

圖10 優(yōu)化方案四路試驗證結(jié)果

3 結(jié)論

在對某三廂車改款車型車身結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行車身優(yōu)化多方案對比，采用有限元仿真分析確認(rèn)兼顧輕量化和車身性能的結(jié)構(gòu)方案，經(jīng)實車耐久性試驗和NVH試驗改善效果顯著，使車身結(jié)構(gòu)滿足模態(tài)要求和車身耐久性要求，改善了NVH性能。結(jié)果表明：

(1)三廂車的衣帽板和側(cè)圍搭接區(qū)域使車身扭轉(zhuǎn)模態(tài)有顯著提高；

(2)優(yōu)化后的該車身結(jié)構(gòu)滿足整車可靠耐久性要求，滿足NVH性能要求；

(3)采用有限元仿真分析可快速地確定可靠的車身最優(yōu)方案。

參考文獻(xiàn):

[1]張宇，張仲鵬.車身結(jié)構(gòu)NVH特性多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2012(5):116-117.

ZHANG Y,ZHANG Z P.Study on Multi-objective Topology Optimization on NVH Features of Car Body[J].Machinery Design & Manufacture,2012(5):116-117.

[2]高圣彬,高衛(wèi)民.關(guān)于提高桑塔納2000型白車身扭轉(zhuǎn)剛度的研究[J].汽車工程,1996,18(2):72-76.

GAO S B,GAO W M.Research on the Measures for Enhancing the Torsional Rigidity of SANTANA-2000 BIW[J].Automotive Engineering,1996,18(2):72-76.

[3]王彥偉，鄭英.有限元法在車身設(shè)計中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2001(5):42-44.

WANG Y W，ZHENG Y.The Finite Element Method Application in Automobile Body Design[J].Machinery Design & Manufacture,2001(5):42-44.

[4]李真,何鋒,鄒帆,等.基于ABAQUS的客車車身模態(tài)分析[J].汽車零部件,2013(1):57-59.

LI Z,HE F,ZOU F,et al.Model Analysis for a Bus Body Based on ABAQUS[J].Automobile Parts,2013(1):57-59.

[5]穆國寶，張豐利，陳劍，等.基于有限元法的白車身模態(tài)和剛度研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2010(4):31-33.

MU G B,ZHANG F L,CHEN J,et al.Research on the Modal and Stiffness of Body in White Based on the FEM[J].Machinery Design & Manufacture,2010(4):31-33.

[6]陳松，陶金忠，孫旭，等.車身有限元建模與驗證研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2011(5):182-184.

CHEN S，TAO J Z，SUN X，et al.The Research on Body Finite Element Modeling and Validation[J].Machinery Design & Manufacture,2011(5):182-184.