某純電動汽車后背門模態分析與試驗

陳磊 譚雨點

摘 要：以某純電動SUV汽車的后背門為研究對象 利用有限元優化設計理論 提出一種復合材料后背門自由模態仿真分析方法 在Hypermesh軟件中進行網格劃分和仿真模型搭建 采用Nastran軟件進行求解計算 利用Hyperview軟件查看結果云圖。通過對比仿真分析結果和試驗結果 可知其前三階彈性模態誤差均在5%以內 充分證明了此后背門仿真模型的可靠性 該仿真分析模型對新能源電動汽車后背門的結構優化和NVH性能提升均具有指導意義。

關鍵字：純電動汽車;后背門;有限元仿真;模態試驗

中圖分類號：U467.3? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）18-105-03

Abstract： Taking the back door of a pure electric SUV as the research object and using the finite element optimization design theory， a modal simulation analysis method of composite back door was proposed. The mesh was divided and the simulation model was built in the Hypermesh software. The solution was calculated by using MSC. Nastran software， and the result cloud map was viewed by using the Hyperview software. By comparing the simulation analysis results with the test results， it can be seen that the error of the first three modes is within 5%， which fully proves the reliability of the rear door simulation model later on. This simulation analysis model has guiding significance for the structural optimization and NVH performance improvement of the rear door of new energy electric vehicles.

Keywords： Electric vehicle; Back door; Finite element simulation; Modal test

CLC NO.： U467.3? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-105-03

引言

純電動汽車是目前及未來汽車行業的主要發展方向 純電動汽車在提升動力性、經濟性等性能的同時 也需要努力改善整車NVH性能[1]。其中 關于后背門的設計是純電動汽車NVH性能研究的重要內容。復合材料后背門相對于傳統金屬后背門 能很好地解決后背門系統的各項性能與輕量化之間的矛盾。復合材料具有許多金屬材料無法比擬的優勢 比如：密度低、比強度高、比模量大、抗腐蝕性能力強、耐久性能好等。將其應用到純電動車車身零部件上 不僅可以減輕車身質量 還具有較強的耐抗沖擊性能[2]。車身零部件中 后背門尤為關鍵。如果后背門固有頻率過低 則會出現密封不嚴、局部變形等問題 影響整車的NVH性能。模態分析是了解結構動態特性最直接有效的方法 若模型模態仿真分析結果準確、可靠 在前期開發階段即可提升整車的NVH性能。因此 本文以某純電動SUV汽車的后背門為研究對象 利用有限元優化設計理論 提出一種后背門自由模態仿真分析方法 為復合材料后背門結構設計提供方向。

1 復合材料后背門有限元建模

本文研究的后背門是某款純電動SUV汽車全新開發零件 外板材料為改性聚丙烯PP+EPDM-T30 內板材料為長玻纖增強聚丙烯PP-LGF40 其總成件外觀尺寸為805mm X 1323mm X 105mm。此后背門包含內板、外板、鈑金加強板等。筆者在前處理軟件Hypermesh中建立后背門有限元模型建立 設置完成的自由模態分析工況導入Nastran求解器進行求解。內板、外板和鈑金加強板均為薄壁件 其長度和寬度方向尺寸遠大于厚度方向尺寸 采用殼單元CQUAD4進行離散化 網格單元大小設為3x3mm;內板和外板之間的膠粘連接用Adhesives單元模擬;鈑金加強板與內板之間的螺栓連接用RBE2單元模擬; 最終建立的后背門有限元模型單元總數為190810 節點總數為194768 網格質量檢查均滿足設定的目標值 符合建模規范 模型質量為13.8kg。 本文主要研究此后背門的自由模態特性 不需要任何約束條件 所建立仿真分析模型如下圖1所示。

2 后背門模態分析

2.1 后背門仿真分析

純電動汽車由于沒有發動機噪聲的掩蔽 行駛過程中產生的噪聲對駕駛舒適性影響很大。車身振動會使后背門密封不嚴 出現局部變形等現象 影響整車的NVH性能 所以必須對后背門進行振動特性分析。后背門模態性能與整車NVH性能密切相關 因此 對后背門進行結構設計時 必須滿足設定的目標值。根據模態理論[3]：

式中 K為剛度矩陣;Φi為第i階模態的陣型向量;ωi2為第i階模態的固有頻率;M為質量矩陣。

根據以上理論 利用有限元軟件 可以直接對后背門進行網格劃分和仿真模型搭建 求解計算后 便可直接查看仿真計算結果。此次對后背門進行自由模態仿真分析 不考慮前6階剛體模態 前三階彈性模態振型如圖2、圖3、圖4所示。

2.2 后背門模態試驗驗證

為了驗證后背門有限元模型模態分析的可靠性 采用頻響函數法試驗方法獲取后背門模態參數。試驗方案如下：（1）通過膠繩將后背門懸架起來 使其處于自由狀態;（2）采用傳感器固定不動、力錘移動的方法進行測量 將力錘激勵信號和響應信號通過放大器放大后輸出到結構動態分析系統LMS Test.Lab 14A中進行分析處理。其前三階試驗模態結果如表1所示 模態陣型如圖5、6、7所示。試驗得到一階模態27.8Hz 與仿真結果差異僅為0.1% 而二階模態誤差為4.8% 三階模態誤差3.7% 前三階模態誤差均在5%以內 充分證明了仿真結果的可靠性。

3 結論

本文建立了純電動SUV汽車復合材料后背門的有限元仿真分析模型 并進行了自由模態仿真分析 得到其前三階彈性模態;設計了一種頻響函數法試驗方案 得到此后背門前三階試驗模態;通過對比仿真分析結果和試驗結果 前三階彈性模態誤差均在5%以內 驗證了此后背門仿真模型的可靠性。

參考文獻

[1] 劉孟，陸靜，王小龍，王亞運，宋萬龍.基于工況傳遞路徑法的后背門振動噪聲識別及模態分析[J].科學技術與工程，2015，15（23）：55-58.

[2] 余海燕，徐豪，周辰曉.大學生方程式賽車復合材料單體殼車身優化[J].同濟大學學報（自然科學版），2016，44（11）：1729-1734+1748.

[3] 鄧本波.汽車振動乘坐舒適性的評價方法研究[D].合肥：合肥工業大學，2005.