轎車車身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

卜海洋

摘要：現(xiàn)代汽車的使用頻率隨著人民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升而在不斷上升，而人們在滿足基本的代步需求的同時(shí)，也日益追求轎車的形態(tài)的美觀度，以及使用的舒適度。因而就需要在車身結(jié)構(gòu)上進(jìn)行力學(xué)特性的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)上的簡化，本文主要以其離散單元建立有限元模型，對其形態(tài)設(shè)計(jì)提供更好的設(shè)計(jì)方案，從而推動我國汽車行業(yè)的快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：車身;模態(tài)分析;有限元;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

前言

在現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)和構(gòu)造領(lǐng)域中，唯有快速根據(jù)市場需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)，才能更好地提升核之競爭力，贏得更大的市場份額。為了更好地對轎車的開發(fā)周期進(jìn)行減縮，以及以更大程度地縮減成本投入，就需要對其力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，這也是順應(yīng)市場發(fā)展潮流的重要表理之一。在現(xiàn)代計(jì)算網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的前提下，對力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析相對于過去而言更加簡便，其可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用快速地對其中所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，其便是現(xiàn)代轎車力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有限元法。有限元法是轎車車身結(jié)構(gòu)模態(tài)設(shè)計(jì)中運(yùn)用最為廣泛的方法之，其可以通過數(shù)據(jù)的形式對車身建立低階彈性模態(tài)，并以不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)轎車結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。因而本文主要基于有限元法對轎車車身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢進(jìn)行分如下析說明。

1 有限元法在轎車車身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的意義

經(jīng)過大量的實(shí)踐證明，有限元法可以對轎車的整體車身結(jié)構(gòu)統(tǒng)籌構(gòu)建和優(yōu)化，其中最為重要的就是建立相應(yīng)的模形進(jìn)行優(yōu)化。其在設(shè)計(jì)初期可以實(shí)現(xiàn)對轎車剛度性能以及整體抗震性能地分析，以此避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷。其次，為了更好地實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化，其還可以通過改動和調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，柔化整體的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及剛度，以此達(dá)到最優(yōu)的轎車動態(tài)性能和防噪音效果。有限元法能夠在轎車構(gòu)造之前實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的演示和調(diào)節(jié)，從而對其中的不足之處進(jìn)行優(yōu)化，可以縮減后續(xù)的調(diào)整改造費(fèi)用，可以有效提高轎車設(shè)計(jì)的有可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

2 轎車車身有限元模型的建立

2.1模型建立的原則

轎車車身有限元模型建立的精確性與最終最終結(jié)果的精準(zhǔn)性具有密切關(guān)系，其直接影響了后續(xù)的修改次數(shù)以構(gòu)建的經(jīng)濟(jì)效益。由此可見，實(shí)現(xiàn)轎車車身有限元模型的精準(zhǔn)化構(gòu)建是十分重要的。從多次的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以得出相關(guān)的提高模型精準(zhǔn)性的標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）轎車計(jì)算模型必須具而全面性，要充分利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對轎車的整體力學(xué)結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)、車身抗震等性能進(jìn)行綜合分析，同時(shí)又要考慮到車身形態(tài)與結(jié)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)性，其次，則是要考慮到車身的承載能力與力學(xué)的邊界值之間的關(guān)系。

（2）轎車計(jì)算模型還應(yīng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。因?yàn)榱烁蟪潭鹊剡€原轎車設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性，就需要投入大量的人力、物力于模型的構(gòu)建和設(shè)計(jì)上，從而在耗費(fèi)了大量時(shí)間的同時(shí)，也使得成本投入在不斷增加。因而在構(gòu)建模型上，就需要根據(jù)基本的物理原理對力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡化設(shè)計(jì)，從而讓其在滿足基本需求的同時(shí)，也能更好地發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）轎車車身有限元模型構(gòu)造要注重細(xì)節(jié)工程。現(xiàn)代轎車往往采用構(gòu)件與骨架相焊接的方式進(jìn)行，因而就需要對其中所包含的零部件進(jìn)行模擬安裝，從而提高車身形態(tài)的承載能力。其次。為了更好地彌補(bǔ)車身形態(tài)的剛度缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，就需要對其前塔型支承、行李架等構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬。

但從整體的模型構(gòu)造上而言，也應(yīng)明確模型主要是對整體的車身形態(tài)和力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化模擬，而非對其細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，如果過多地關(guān)鍵一些非關(guān)鍵性因素，往往會使建模難以實(shí)現(xiàn)最初的模擬目標(biāo)，同時(shí)還可能因?yàn)檫^多的細(xì)枝末節(jié)影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精確度。

2.2 模態(tài)分析

對構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析實(shí)際上就是基于其自身所具的特性進(jìn)行構(gòu)件的性能調(diào)節(jié)，并在不斷地調(diào)節(jié)中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和構(gòu)造的最優(yōu)化，以此滿足基本的使用需要。其次，為了更好地實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最優(yōu)指標(biāo)，往往需要對其模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)修改，并把讓車身結(jié)構(gòu)的整體低階彈性模態(tài)頻率提升至一定的水平。提高車身結(jié)構(gòu)整體模態(tài)頻率的主要有兩個(gè)途徑，其一是對構(gòu)建材料進(jìn)行選擇，應(yīng)采用密度小并且鋼性較強(qiáng)的材料為佳，從而從本質(zhì)上提升，模態(tài)的總體質(zhì)量。其二是對結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行調(diào)節(jié)和構(gòu)造，讓其尺寸和剛度實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。盡管第一種方式相對其傳統(tǒng)車身結(jié)構(gòu)設(shè)具有明顯優(yōu)劣，但其劣勢也也體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益較低上。因而其也因不符合現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展理念也運(yùn)用日益減少。而第二種方式往往更為貼近現(xiàn)代與車身結(jié)構(gòu)模態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，通過不同參數(shù)的變化，最終使車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

3 模態(tài)分析結(jié)果與評價(jià)

3.1模態(tài)分析結(jié)果

由于轎車車身的抗震性能強(qiáng)弱往往體現(xiàn)于低頻域，因而在對其模態(tài)進(jìn)行分析時(shí)，往往根據(jù)車身的振動響應(yīng)得出轎車車身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化模態(tài)。在對模態(tài)進(jìn)行結(jié)果分析時(shí)，從第低階模態(tài)開始展開數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，如果在初期的設(shè)計(jì)方案中，出現(xiàn)不理想的設(shè)計(jì)，則可以及時(shí)地進(jìn)行優(yōu)化。例如為了更好地實(shí)現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，就可以對后風(fēng)窗下部的行李箱局部進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)節(jié)其剛度頻率，從而實(shí)現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)的快速優(yōu)化。

3.2模態(tài)分析評價(jià)

汽車的激勵一般分為路面激勵、車輪不平衡激勵、發(fā)動機(jī)激勵、傳動軸激勵。路面激勵一般由道路 條件決定，目前在高速公路和一般城市較好路面上，此激勵頻率多，對低頻振動影響較大;因車輪不平衡引起的激振頻率一般低，隨著現(xiàn)在輪輞制造質(zhì)量及檢測水平的提高，此激勵分量 較小，易于避免;發(fā)動機(jī)引起的激振在 以上 缸發(fā)動機(jī)，此激勵分量較 大;城市中一般車速控制在，高速公路 上一般車速控制在，傳動軸不平衡引起的振動頻率范圍在以上，此激勵分量較小。從模態(tài)分析結(jié)果可知，該車一階 模態(tài)值為，屬于正常頻率范圍。目標(biāo)車型的 一階模態(tài)值為 將該車與目標(biāo)車型對比分析 可知，該車轎車身的第一階固有頻率值比目標(biāo)車型剛度較好。

對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)優(yōu)化后，往往會使得車身的力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的變化，其剛度性能和抗震強(qiáng)度都會得到加強(qiáng)，由此一來，車身的局部模態(tài)平衡頻率和階數(shù)也會得到相應(yīng)的提高。優(yōu)化后行李箱擱板位置出現(xiàn)局部模態(tài)的頻率值由于該車是在兩廂車的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，導(dǎo)致后地板局部相對剛度偏低，在對后地板局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，該后地板位置出現(xiàn)局部模態(tài)的頻率值。由此可以得出結(jié)論，優(yōu)化后的局部結(jié)構(gòu)，使得轎車車身整體剛度更加協(xié)調(diào)。

轎車車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)從局部到整體，因而在實(shí)際的模態(tài)分析過程中，更需要對其整體的性能進(jìn)行權(quán)衡和分析。

4 結(jié)束語

轎車車身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是提升使用感受的重要環(huán)節(jié)，因而需要采用先進(jìn)的技術(shù)手段進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)轎車整體剛性的調(diào)節(jié)，并在模型的不斷修改和調(diào)整性，提高局部的模態(tài)頻率，使整體的模態(tài)特性更為協(xié)調(diào)。有限元法是現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展下衍生的新型產(chǎn)物，其通過建模的方式改變了傳低效率的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程，為縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期和提高生產(chǎn)效益提供了良好的基礎(chǔ)。由此看來，有限元法運(yùn)用于現(xiàn)代的汽車開發(fā)和設(shè)計(jì)中是具有推廣價(jià)值。

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（作者單位：長城汽車哈弗技術(shù)中心）