白車身結構NVH優(yōu)化技術分析

賴水長 劉星

摘 要：汽車系統(tǒng)具有較高的復雜性，它的NHV性能通常被分解成多個系統(tǒng)來研究，其中車身系統(tǒng)是汽車NHV性能的響應器，在性能研究者占據(jù)重要地位。在車型升級過程中，隨著設計方案的改變，車身NHV性能優(yōu)化難度增加。從小部件著手提高整車NHV性能具有重要意義，這也是文章研究的重點。

關鍵詞：白車;車身結構;NVH優(yōu)化技術

隨著時代的不斷進步和發(fā)展，汽車的使用已經具有極強的普遍性，消費者著重于汽車的外形美觀性和設計性能的優(yōu)化，但是在環(huán)境污染等能源危機的影響下，對于汽車的使用設計中，只有開展節(jié)能環(huán)保類型的設計方式才可以讓汽車行業(yè)呈現(xiàn)出可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)，但是如何設計出優(yōu)化型汽車是汽車設計中的難點問題，同時一個國家的設計水平可以直接呈現(xiàn)出這個國家的科技水平進步方式，所以在汽車設計的源頭開始探索出特有的汽車結構，將汽車變?yōu)樾履芰康钠嚱Y構并優(yōu)化汽車的車身結構。在目前我國汽車行業(yè)的制造水平較其他發(fā)達國家還存在一定的差距，而汽車的車身又是汽車的重要組成部分，它的好壞直接影響著汽車的使用，所以為了促進行業(yè)的不斷進步，通過對汽車的優(yōu)化設計提升汽車的使用性能是尤為重要的。

1 白車身NHV優(yōu)化零部件的確定

1.1 有限元建模

文章針對商用白車身進行結構簡化，選擇殼單元構建有限元模型，利用剛性單元模擬各個焊點，建立的白車身模型包括大量單元，四邊形單元占總數(shù)的96%。

1.2 模型分析及模型修正

進行白車身模態(tài)試驗時，利用彈性繩使白車身保持在自由狀態(tài)，保證車身水平。采用單點激勵、多點拾取的試驗方式，選擇147個測試點，在每個測點周圍設置三臺傳感器。在車架懸架位置選擇恰當?shù)臏y試點，并進行隨機的信號激勵。將測試點坐標輸入軟件，進行白車身建模，并計算傳遞函數(shù)，確定白車身的振型和固有頻率。通常來說，試驗分析和仿真試驗結果存在一定偏差，這是因為模擬焊點的連接剛度和實際有所差別。利用軟件進行建模時，應選擇多個類型的模擬焊點。根據(jù)實際情況，此次選擇RBE2單元模擬焊點。由于這一單元建立在連接板節(jié)點上，節(jié)點連線與連接板不垂直，因此要進行單元調整，確保兩個節(jié)點的連線與連接板垂直，通過修正增強白車身剛度。

1.3 白車身NHV薄弱部分及優(yōu)化部件選擇

從模態(tài)分析結果看，為了增加整個白車身的動態(tài)特性，應以車頂棚、后側圍作為重點改進區(qū)域，具體改進方法要結合具體部位確定。通常會實行改變結構剛度、隔振、增加阻尼、添加筋板等措施，降低部件振動幅度和車內噪聲，提高車身的NHV性能。在車身結構剛度調整方面，可選擇拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等方式，其中車頂棚是車身模態(tài)變化明顯的部位，會產生較大噪聲。文章主要以車頂棚結構優(yōu)化為例，討論調高整車NHV性能的措施。

2 汽車車身結構設計對整個汽車的影響

在汽車行業(yè)的發(fā)展中，汽車已經逐漸成為人們生活中必不可少的一件物品，隨著時代的進步，人們對汽車使用方面的要求也越來越高，既要確保外觀的美觀性又要確保使用中的性能和安全性，汽車行業(yè)在滿足人們要求的基礎上逐漸增加了汽車使用中的舒適性、安全性和輕量化的效果，而對汽車的輕量化設計是最為重要的，它可以在保證汽車環(huán)保的基礎上減低耗油量的使用，同時在確保汽車性能的有效性基礎上用大量的輕質新型材料將汽車車身設計地更加輕便從而可以有利于駕駛者更好的操控汽車，如果有意外發(fā)生的時候輕量化車身也保證了汽車的安全性和穩(wěn)定性。

3 優(yōu)化措施

文章使用的軟件是在有限元基礎上的結構改進設計軟件，能提供形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、拓撲優(yōu)化等優(yōu)化方法。文章針對車頂棚部件的優(yōu)化設計，關鍵在于增強其剛度，通過在車頂棚找準最佳的加強筋分布格局和數(shù)量，達到形貌最優(yōu)化的目的。從這一角度看，在結構優(yōu)化過程中，應選擇形態(tài)優(yōu)化方式。通過計算數(shù)學模型，可得到具體的優(yōu)化方案。優(yōu)化設計包括設計變量、約束條件、目標函數(shù)三要素，通過形貌優(yōu)化，將去除加強筋的模型作為優(yōu)化模型，在明確優(yōu)化區(qū)域后，設定相應的約束條件、目標函數(shù)和加強筋參數(shù)。這里的約束條件是指約束車頂棚四邊的自由度，并將加強筋的起筋角、起筋寬度、起筋寬度、加強筋截面形狀等參數(shù)導入軟件，可在軟件系統(tǒng)中完成優(yōu)化設計過程。以車頂棚固有頻率為目標函數(shù)，在多次迭代后得到變形圖。

從變形圖可看出，在車頂棚長度方向設置三條加強筋，經過處理后，將優(yōu)化后的變形云圖轉換成IGES格式，可得到不規(guī)則的曲面，這時要結合生產手段進行調整，調整后的車頂棚結構參數(shù)如下：加強筋的強度為2200mm，起筋寬度為30mm，起筋高度為3.5mm，起筋角度為45°，相鄰兩條加強筋間的寬度為70mm。

對優(yōu)化調整后的車頂棚模型進行分析，可發(fā)現(xiàn)固有頻率相較于原來的有所提高，鋼度有明顯提高。另外，為了比較分析加強筋部件優(yōu)化前后的車頂抗凹性能，此次在車頂棚模型、優(yōu)化后模型以及去加強筋模型上選擇20個測試點，在其上施加250N的集中載荷，并約束車頂棚的全部自由度，可得到上述三個模型變形情況。

結果表明，加強筋優(yōu)化后的結構變形量相較于原有結構有所減小，說明經過優(yōu)化設計后，車頂棚抗凹性能明顯提高。將優(yōu)化的車頂棚結構安裝在白車身模型中，進行模態(tài)分析后，可發(fā)現(xiàn)白車身各階頻率明顯提高。這一試驗結果和之前的模態(tài)分析一致，模態(tài)分別是車頂棚振動幅度較大的狀態(tài)、對應車頂棚前三階狀態(tài)。在實際結構設計中，可采用上述優(yōu)化設計方法，從車頂棚結構優(yōu)化著手，提升整個車身NHV性能，確保其滿足設計需求。

4 結束語

在汽車升級改進過程中，提高其NHV性能是設計重點。文章采取模態(tài)分析等手段，可將整車性能優(yōu)化目標落實到各個部件結構改進設計上。在確定薄弱部件后，提出結構優(yōu)化對策，制定全方位的優(yōu)化方案。實踐表明，優(yōu)化后的車身結構NHV性能明顯提高。

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