汽車白車身（BIW）模態(tài)試驗(yàn)與仿真對標(biāo)分析研究

黃 歷

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001）

1 研究問題描述

汽車白車身設(shè)計(jì)不合理給汽車品質(zhì)帶來不少共振、轟鳴甚至開裂的惡劣影響，所以為了汽車白車身 NVH設(shè)計(jì)更合理，主機(jī)廠需通過測試及仿真對標(biāo)的方法確保白車身的整體彎曲、扭轉(zhuǎn)、板的局部模態(tài)頻率更精確，提升白車身設(shè)計(jì)水平。

2 汽車白車身模態(tài)試驗(yàn)研究

2.1 車身模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：LMS國際公司 SCADA-III S310 32通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集軟件：LMS國際公司TEST.LAB 13A SPEC -TRAL ACQUISITION采集軟件。

（3）模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理軟件：LMS國際公司TEST.LAB 13A中MODEL ANALYSIS軟件和POLYMAX軟件。

2.2 車身測點(diǎn)布置和幾何建模

車身測點(diǎn)均勻布置在各個(gè)剛度高的地方，車身建模是應(yīng)用比利時(shí) LMS國際公司 TEST.LAB 13A軟件中的 GEOM-ETRY模塊進(jìn)行建模，如圖1所示。

圖1 白車身建模

2.3 建模命名和測點(diǎn)數(shù)

2.4 激振方法[1]

白車身模態(tài)試驗(yàn)采用電動激振器方法進(jìn)行激振，激振點(diǎn)選取車身前右方和后左方兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行激振，分別為車身右前端rb：30點(diǎn)Z方向、車身左后方lb：100點(diǎn)Z方向。激振點(diǎn)位置見圖2。

圖2 兩個(gè)激振點(diǎn)激振器安裝圖

表1 建模命名和測點(diǎn)數(shù)

2.5 互易性檢驗(yàn)

選取激振點(diǎn)是根據(jù)模態(tài)試驗(yàn)要求，進(jìn)行線性檢驗(yàn)，并通過預(yù)試驗(yàn)比較不同激振點(diǎn)測試結(jié)果確定的。圖3是兩個(gè)激振點(diǎn)互易性檢驗(yàn)圖。由圖可知，激勵(lì)點(diǎn)互易性誤差小于 5%，符合線性要求。

圖3 激振點(diǎn)互易性檢驗(yàn)圖

2.6 試驗(yàn)過程

白車身用橡皮繩子進(jìn)行吊裝，并調(diào)水平；激振器通過柔性桿與車身連接，激振器剛性與地板用膠連接，連接質(zhì)量通過力譜判斷和相干函數(shù)檢驗(yàn)；每個(gè)測點(diǎn)安裝 X、Y、Z三個(gè)方向模態(tài)試驗(yàn)加速度計(jì)；設(shè)置有效帶寬204.8 Hz，采樣頻率409.6 Hz，譜線數(shù)2 048，頻率分辨率為0.1 Hz，力信號源為BIRST 隨機(jī)，60%時(shí)間間隔，力信號和響應(yīng)窗函數(shù)為UNIFORM窗。每次測試為20次重復(fù)平均。

2.7 白車身模態(tài)綜合頻響函數(shù)如圖4所示

圖4 白車身模態(tài)綜合頻響函數(shù)

2.8 白車身主要模態(tài)頻率及振型

表2 白車身主要模態(tài)頻率及振型

3 汽車白車身模態(tài)仿真分析

3.1 白車身CAD模型導(dǎo)入

將STP格式的白車身CAD文件導(dǎo)入Hypermesh軟件中，并檢查模型的完整性。

3.2 白車身鈑金件抽取中面

點(diǎn)擊 File-run-Tcl/tk script，然后導(dǎo)入自動抽中面程序autoMidSurface.tcl，抽取白車身鈑金件中面，并且自動生成材料屬性，刪除CAD模型，保留中面，保存為HM格式文件。

3.3 白車身鈑金件中面上畫網(wǎng)格

啟動Hypermesh的Batchmesher模塊，導(dǎo)入HM格式文件，并設(shè)置網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)，用8 mm大小劃分網(wǎng)格，孔的地方要設(shè)置自動Washer，然后自動劃網(wǎng)格，網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 白車身CAE網(wǎng)格模型

3.4 調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量

根據(jù)設(shè)置的網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)，將不合格的網(wǎng)格（黃色及紅色）調(diào)成合格，以免提交運(yùn)算報(bào)錯(cuò)。

3.5 連接白車身網(wǎng)格模型

根據(jù)焊點(diǎn)信息，檢查焊點(diǎn)是幾層焊，在 1D-Connectors模塊做好點(diǎn)焊、縫焊或打膠，有螺栓的地方用RBE2連接，仔細(xì)檢查連接，不能有遺漏，焊接后的焊點(diǎn)如圖6所示。

圖6 白車身焊點(diǎn)

3.6 檢查材料參數(shù)及屬性

對照白車身各個(gè)鈑金件的材料牌號，核對材料參數(shù)是否準(zhǔn)確，檢查屬性厚度是否準(zhǔn)確，確保模型沒問題。

3.7 軟件及硬件要求

（1）軟件要求：前處理，使用Hypermesh，后處理，使用Hyper -view；

（2）硬件要求：前處理，使用 DELL工作站，要能運(yùn)行NASTRAN。

3.8 邊界條件

計(jì)算自由模態(tài)，無需加SPC約束。

3.9 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置為PARAM POST -1。

3.10 輸出設(shè)置

輸出設(shè)置為DISPLACEMENT =ALL；ESE=ALL。

3.11 選擇分析類別

模態(tài)分析選用SOL103輸出頻率：0～200 Hz 。

3.12 求解

由前處理軟件HYPERMESH導(dǎo)出BDF格式，再提交求解器NASTRAN進(jìn)行計(jì)算。

3.13 白車身自由模態(tài)仿真分析結(jié)果[2]如表3

表3 白車身自由模態(tài)仿真分析結(jié)果

4 白車身模態(tài)測試結(jié)果與白車身模態(tài)仿真結(jié)果對標(biāo)分析

測試與仿真結(jié)果整體差異較小，整體模態(tài)頻率差異在 1 Hz以內(nèi)，測試與仿真結(jié)果差異在5%以內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了CAE模型的準(zhǔn)確性與精確度。

5 結(jié)論與展望

白車身對車輛的動態(tài)特征起著重要作用，本論文主要分析白車身的自由模態(tài)測試與仿真對標(biāo)，自由模態(tài)廣義上可以歸為兩類：全局模態(tài)以及局部模態(tài)，一般來說，全局模態(tài)（比如全局彎曲、全局扭轉(zhuǎn)）的特征是很大的模態(tài)質(zhì)量，這意味著大多數(shù)質(zhì)量在此模態(tài)的振動中起作用，并對 NVH性能有重要的影響，一些局部模態(tài)對聲腔以及響應(yīng)也很重要，特別是當(dāng)激勵(lì)源或者其他子系統(tǒng)的頻率和鈑金件的模態(tài)頻率一致時(shí)，響應(yīng)可能會放大到無法接受的級別，進(jìn)行白車身自由模態(tài)分析的原因有兩個(gè)，在車輛系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定階段，先需要開發(fā)模態(tài)分布圖，基于此圖，目標(biāo)設(shè)定在主要的白車身鈑金件模態(tài)頻率的基礎(chǔ)上，從而使得它能遠(yuǎn)離初始激勵(lì)源以及子系統(tǒng)的共振頻率，在白車身模態(tài)頻率目標(biāo)滿足后，白車身自由模態(tài)會被NVH部門用來執(zhí)行整車NVH分析。