某商用車白車身仿真模態與試驗對標

邢建，高志彬，張明，郝大亮，陳守佳

某商用車白車身仿真模態與試驗對標

邢建，高志彬*，張明，郝大亮，陳守佳

（青島理工大學機械與汽車工程學院，山東 青島 266520）

文章通過對某車型白車身仿真模態與試驗模態的對比分析，以試驗模態數據為真實數據作參考，對試驗與仿真中局部應變能和位移較大位置進行分析并加以改進，優化后的仿真模態參數與試驗模態參數基本一致，最終結果符合要求。此方法可縮短研發周期，提高仿真結果的準確性。

白車身；仿真模態；試驗模態；優化

引言

隨著計算機科學的發展與完善，有限元分析越來越多的應用在了汽車領域。傳統動力學分析都是通過建立系統的多自由度數學模型來計算[1]，現如今的有限元分析法是利用數學方法通過計算機程序來模擬真實的物理系統，這種方法高效準確，簡單直觀。但仿真分析方法與實際情況對比會有一定誤差，需進行試驗驗證，現代試驗模態分析是通過振動測試來獲取模態參數的過程。通過有限元分析與試驗模態分析相結合的方法可以更加有效的解決工程實際問題[2]。

本文對某工程樣車分別進行有限元分析和試驗模態分析，通過對比仿真結果與試驗結果來分析有限元模型的準確性，進而為后期產品優化提供真實數據[3]。

1 有限元模型建立

將白車身數模導入Hypermesh軟件中，首先進行幾何清理，去掉多余的倒角、圓角以及重復面等[4]，把處理好的模型抽取中面并行網格劃分，網格尺寸使用10×10mm的殼單元，采用REB2單元對白車身焊點進行剛性連接模擬，螺栓采用Rigid單元模擬，在控制卡片中添加材料屬性。劃分后的白車身殼單元數量為132678個，節點數為106523個，建立的白車身3D模型及有限元模型如下圖1、2所示。

2 模態分析

將白車身有限元模型導入Nastran求解器中求解，經HyperView后處理軟件求得固有頻率及振型，計算前5階分析結果，固有頻率分析結果如下表1所示。

圖1 白車身3D模型

圖2 白車身有限元模型

表1 白車身仿真頻率與振型

一階扭轉振型和一階彎曲振型如下圖3、4所示。

圖4 白車身一階彎曲振型

3 白車身模態試驗及試驗結果

首先建立白車身幾何模型，對白車身進行測點，測點選取的要求有：測點的位置能夠完全描述白車身形狀；相鄰測點之間間距在20mm～30mm之間；測點選擇車身較平整的位置。根據所選取的測點，將相鄰測點用直線連接，在將其連接成構造面，建立整體白車身幾何模型。本試驗樣車共布置了198個測點，白車身幾何模型如圖5所示。

圖5 白車身幾何模型

用橡皮繩將試驗白車身懸掛在龍門架上，使其處于自由狀態，為了保證后期分析結果的準確性，測得龍門架懸掛系統的固有頻率為1.81Hz，滿足自由模態試驗要求[5]。本試驗選擇設置兩個激振器進行激勵，激勵點位置在白車身地板前部中心點和后部中心點位置。將加速度傳感器貼在白車身測點，通過計算機連接并且每次只測量十個測振點，以防止加速度傳感器質量過大影響白車身頻率測量值。白車身試驗圖如圖6所示。

圖6 白車身試驗圖

本試驗通過多次測量取平均數方法來降低隨機誤差，每次試驗激振器激勵次數為20次，將各測點傳遞函數進行平均擬合，計算出試驗各階模態，試驗模態參數如下表2所示，彎曲模態和一階扭轉模態如下圖7、8所示。

表2 白車身試驗頻率與振型

圖8 試驗一階彎曲模態振型

4 有限元模型優化

商用車白車身仿真模態和試驗模態結果誤差應在2%范圍內。白車身主要激勵源包括路面激勵和發動機怠速激勵。當商用車在公路行駛速度低于120km/h時，路面對車輛的激勵頻率低于20Hz，而發動機怠速頻率在27Hz左右，依據行業標準，白車身一階模態必須處于22Hz~25Hz以同時避開路面激勵頻率和發動機怠速頻率。通過對比仿真模態和試驗模態的各階振型圖，對局部應變能和位移較大位置進行分析，高應變能位置對模態振型影響最大。

表3 修正前、后仿真與試驗結果對比

本次優化以白車身結構特點出發，同時考慮實際生產工藝以及企業成本，通過對白車身12組零部件的結構以及質量進行局部優化，并利用Hyperworks軟件再次計算仿真模態，得到如表3的修正前、后的仿真和試驗結果對比。

5 結論

本文通過試驗設計與仿真建模相結合的方法對白車身模態進行計算分析和優化設計，此方法可提高優化結果的準確性，為后期整車的動態設計分析提供了準確的模型。本文試驗與仿真相結合的方法可廣泛應用于汽車有限元計算中，為結構動態性能測試提供了一定的參考價值。

[1] 孫陽敏,時培成.八自由度人-車-路耦合模型振動分析[J].宿州學院學報,2015,30(03):93-97.

[2] 黃建建,馬平,陳愛民,張波.基于PolyMAX方法的加工中心工作臺計算模態與實驗模態對比分析[J].機床與液壓,2010,38(23):91-96.

[3] 馬驪凕,朱智民,安占飛,李偉光,姚賓.轎車白車身模態分析[J].振動與沖擊,2013,32(21):214-218.

[4] 楊楊,陸森林.車內噪聲的數值化分析與降噪設計[J].重慶理工大學學報(自然科學),2016,30(09):26-32.

[5] 陳健,周福庚,袁創.輕型卡車車架模態試驗及有限元模擬分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2009,32(S1):131-134.

Simulation Modal and Test Benchmarking of a Commercial Vehicle's Body-in-White

Xing Jian, Gao Zhibin*, Zhang Ming, Hao Daliang, Chen Shoujia

( School of Mechanical & Automotive Engineering Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520 )

Based on the comparative analysis of simulation modal and test modal of a car body-in-white, and taking the test modal data as a reference, the local strain energy and displacement position in the test and simulation are analyzed and improved. The optimized simulation modal parameters are basically consistent with the test modal parameters, and the final results meet the requirements. This method can shorten the development cycle and improve the accuracy of simulation results.

White body; Simulation mode; Test mode; Optimization

U463.82

A

1671-7988(2019)14-135-03

U463.82

A

1671-7988(2019)14-135-03

邢建，碩士，就讀于青島理工大學，主要研究方向為汽車振動與噪聲。

高志彬（1969-），男，副教授，博士，研究方向為汽車車內振動噪聲控制、信號故障診斷等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.044