基于鋁合金減振器塔的白車身模態(tài)分析與研究

唐程光，趙 震，闞洪貴

基于鋁合金減振器塔的白車身模態(tài)分析與研究

唐程光，趙 震，闞洪貴

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

為了確保白車身模態(tài)性能在設(shè)計(jì)階段滿足要求，在設(shè)計(jì)前期需要對(duì)白車身模態(tài)進(jìn)行分析研究。論文首先利用有限元分析軟件對(duì)搭載鋁合金減振器塔的某鋼鋁混合白車身設(shè)計(jì)模型的模態(tài)進(jìn)行仿真分析和摸底，再通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試方法對(duì)實(shí)車的模態(tài)進(jìn)行分析確認(rèn)，兩種方法相輔相成，為后期的產(chǎn)品優(yōu)化提供有效數(shù)據(jù)支撐。結(jié)果表明：有限元分析結(jié)果精度高（有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本相當(dāng)，誤差在2%左右），有限元分析軟件強(qiáng)大的模擬計(jì)算能力使大量繁瑣的工程問(wèn)題簡(jiǎn)單化，可以節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本；同時(shí)再結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行校核修正，兩種方法相結(jié)合可以為汽車設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供行之有效的解決方案。

鋼鋁混合白車身；模態(tài)；有限元分析；測(cè)試；分析與研究

引言

汽車NVH性能直接關(guān)系到整車的舒適性，是提升汽車品質(zhì)的關(guān)鍵因素，也是近些年汽車行業(yè)研究和探索的主要方向之一。白車身模態(tài)作為汽車性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)直接影響車輛的NVH性能。白車身模態(tài)主要是考慮系統(tǒng)的共振問(wèn)題，避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等旋轉(zhuǎn)振動(dòng)部件的自身頻率，避免與其耦合產(chǎn)生共振造成對(duì)整車的影響甚至破壞[1]。本文基于搭載鋁合金減振器塔的某鋼鋁混合白車身，利用有限元分析和試驗(yàn)測(cè)試兩種方法對(duì)白車身的模態(tài)進(jìn)行分析，并對(duì)兩種分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，進(jìn)而為后期的產(chǎn)品優(yōu)化提供有效數(shù)據(jù)支撐。

1 有限元仿真分析

1.1 有限元模態(tài)分析理論

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的一種固有特性，包括結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比和振型，有限元模態(tài)分析先通過(guò)網(wǎng)格劃分建立白車身的有限元數(shù)學(xué)模型，將一般結(jié)構(gòu)系統(tǒng)離散為一種具有多個(gè)自由度的線彈性系統(tǒng)，其力學(xué)方程為[2]：

本次有限元模態(tài)分析為自由模態(tài)分析，無(wú)邊界條件，可以看作為無(wú)阻尼自由振動(dòng)，因此將公式（1）簡(jiǎn)化為：

使用拉普拉斯變化可得：

|?2| = 0 （3）

由振動(dòng)理論可知，自由振動(dòng)下的彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)形式可由幾個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)相互疊加得到，因此求解可得到簡(jiǎn)諧振動(dòng)式（4），進(jìn)一步得到自由振動(dòng)下彈性系統(tǒng)的振型及振動(dòng)頻率：

{} = {}sin () （4）

式中{}是振動(dòng)頻率；{}是與時(shí)間不相干的位移向量。

([]?2[]) {}= 0 （5）

|[]?2[]|=0 （6）

利用式（6）可得到結(jié)構(gòu)的固有頻率，然后再利用式（5）可得到模態(tài)陣型，最終得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型。

1.2 有限元模型建立

基于壓鑄鋁合金減振器塔的白車身3D數(shù)模建立的有限元分析模型如下圖1所示，鈑金件采用SHELL單元離散，SPR、FDS、粘膠采用SOLID單元模擬，其余縫焊采用REB2單元模擬，點(diǎn)焊采用SOLID單元模擬。分析中使用的軟件有ANSA、NASTRAN、HYPERVIEW。

圖1 白車身有限元分析模型

表1 材料屬性

材料密度彈性模量/MPa泊松比 鈑金7.85E?092.10E+050.3 鋁合金2.7E?097.2E+040.3 粘膠1.1E?09700.49

1.3 有限元分析邊界條件

有限元分析所需要的邊界條件：自由模態(tài)，無(wú)約束、無(wú)載荷。

1.4 有限元分析結(jié)果

表2列舉出典型的模態(tài)有限元分析結(jié)果，圖2為變形云圖。

表2 模態(tài)有限元分析結(jié)果

階數(shù)頻率/Hz振型 139.22一階扭轉(zhuǎn) 249.03一階彎曲

根據(jù)分析計(jì)算，由分析結(jié)果可以看出：

（1）由分析結(jié)果可知，匹配壓鑄鋁合金減振器塔的白車身一階扭轉(zhuǎn)與原鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)基本一致，一階彎曲略高于原鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)。（2）各階模態(tài)均高于目標(biāo)值，匹配壓鑄鋁合金減振器塔的白車身滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 模態(tài)對(duì)比分析表（有限元分析）

陣型頻率/Hz目標(biāo)值 鋼質(zhì)白車身鋁合金減振器塔白車身 一階扭轉(zhuǎn)39.2239.22＞35 一階彎曲48.2949.03＞45

2 模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)方法

在“自由-自由”邊界條件下測(cè)試白車身模態(tài)參數(shù)。模態(tài)試驗(yàn)包括以下幾個(gè)主要步驟：

（1）在LMS Test.Lab 軟件建立試驗(yàn)文件，安裝傳感器、連接測(cè)試系統(tǒng)、確定測(cè)點(diǎn)并建立幾何模型，測(cè)點(diǎn)選擇需滿足：測(cè)點(diǎn)位置能完全描述白車身形狀，布置在車身較平整的位置，相鄰測(cè)點(diǎn)間距20～30 mm，測(cè)點(diǎn)通過(guò)直線連接，形成構(gòu)造面。本試驗(yàn)共布置129個(gè)測(cè)點(diǎn)，幾何模型如圖3所示。

圖3 白車身及幾何模型

（2）白車身模態(tài)測(cè)試有激振器法和力錘法兩種，本試驗(yàn)采用激振器法，車身使用空氣彈簧支撐以模擬自由邊界條件，激振位置分別位于左前縱梁前端下部和右后縱梁后端下部，如下圖4、5所示。

圖4 激振位置1（左前縱梁）

圖5 激振位置2（右后縱梁）

（3）進(jìn)行激振試驗(yàn)，并采集激勵(lì)力與加速度的響應(yīng)信號(hào)。

（4）進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別，從測(cè)得的輸入/輸出數(shù)據(jù)中確定樣件的振動(dòng)特性，通過(guò)處理獲取頻率響應(yīng)函數(shù)（FRF）數(shù)據(jù)，得到固有頻率（Hz）、阻尼比（%）及振型描述。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備如下表4所示：

表4 試驗(yàn)設(shè)備

儀器名稱規(guī)格型號(hào)品牌量程/精度 LMS SC3采集器SC310UTP西門子100 mV～10 V/24位ADC精度 三向加速度傳感器356A26PCB±100g pk 激振器TV51120TIRA

2.3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

（1）總體頻響函數(shù)見(jiàn)圖6。

圖6 總體頻響曲線FRF

表5 車身模態(tài)頻率、阻尼比及振型描述

階數(shù)頻率/Hz阻尼比/%振型描述 140.130.29車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài) 249.560.17車身一階彎曲模態(tài)

圖7 振型圖示

白車身典型的模態(tài)頻率、阻尼比及振型描述見(jiàn)表5、圖7所示，一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)40.13 Hz，阻尼比0.29；一階彎曲模態(tài)49.56 Hz，阻尼比0.17。

3 結(jié)果分析研究

（1）根據(jù)下表6結(jié)果顯示，鋁合金減振器塔白車身的一階扭轉(zhuǎn)、一階彎曲試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本相當(dāng)，誤差在2%左右（有限元分析結(jié)果可信度較高）；（2）鋁合金減振器塔白車身的一階扭轉(zhuǎn)與鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)基本一致，一階彎曲略高于鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)；（3）鋁合金減振器塔白車身各階模態(tài)均高于目標(biāo)值，滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 模態(tài)對(duì)比分析表

陣型頻率/Hz目標(biāo)值 鋼質(zhì)白車身（有限元分析）鋁合金減振器塔白車身（有限元分析）鋁合金減振器塔白車身（試驗(yàn)測(cè)試） 一階扭轉(zhuǎn)39.2239.2240.13＞35 一階彎曲48.2949.0349.56＞45

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于搭載鋁合金減振器塔的某鋼鋁混合白車身，利用有限元分析和試驗(yàn)測(cè)試兩種方法對(duì)白車身的模態(tài)進(jìn)行分析，其中有限元分析軟件強(qiáng)大的模擬計(jì)算能力使大量繁瑣的工程問(wèn)題簡(jiǎn)單化，可以節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本；同時(shí)再結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行校核修正，兩種方法相結(jié)合可以為汽車設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供行之有效的解決方案。

[1] 李旭偉,楊東績(jī),田程.一種白車身車頂模態(tài)和動(dòng)剛度測(cè)試分析方法的研究[J].時(shí)代汽車,2019(10):84-86.

[2] 王書賢,薛棟,陳世淋,等.基于HyperMesh的某轎車白車身模態(tài)和剛度分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2019,33 (07):50-57.

Modal Analysis and Research of BIW Based on Aluminum Alloy Shock Absorber Tower

TANG Chengguang, ZHAO Zhen, KAN Honggui

( JAC Technical Center, Anhui Hefei 230601 )

In order to ensure that the modal performance of BIW meets the requirements in the design stage, it is necessary to analyze and study BIW modal in the early stage of design. Firstly, the modal of a steel-aluminum hybrid BIW design model equipped with aluminum alloy shock absorber tower is simulated and analyzed by finite element analysis software, and then the modal of the real vehicle is analyzed and confirmed by test method. The two methods complement each other and provide effective data support for later product optimization. The results show that the accuracy of finite element analysis results is high (the results of finite element analysis are basically the same as the test results, and the error is about 2%). The powerful simulation and calculation ability of finite element analysis software simplifies a large number of tedious engineering problems, which can save a lot of development time and cost. At the same time, the results of finite element analysis are checked and corrected by test. The combination of the two methods can provide an effective solution for the design and optimization of automobile design scheme.

Steel-aluminum hybrid body-in-white; Modal; Finite element analysis; Test; Analysis and research

U463.33+5.1

A

1671-7988(2022)02-57-04

U463.33+5.1

A

1671-7988(2022)02-57-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.014

唐程光（1977—），男，湖南邵陽(yáng)人，科技部重大專項(xiàng)評(píng)審專家，博士，安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司總經(jīng)理助理，從事汽車整車、車身、電子部件和產(chǎn)品造型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。