某車型車身控制模塊支架模態(tài)優(yōu)化分析

付似愚

(江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330200)

0 引言

隨著生活水平的提高，汽車消費者對NVH性能的要求越來越高，異響問題嚴重影響車內乘員的舒適性，進一步導致車輛的競爭力下降。電器支架剛度過低會導致支架頻率偏低，從而易與發(fā)動機激勵頻率耦合，產(chǎn)生共振導致車內異響問題出現(xiàn)。因此，對怠速工況下電器支架研究具有重要工程意義[1]。

劉紅等[2]在車燈支架的研究分析過程中，通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)車燈支架薄弱區(qū)域，在同時保證車燈功能和支架工藝前提下，提出了支架最優(yōu)方案。李嘉通等[3]針對怠速下因空調壓縮機導致的車內噪聲問題，通過模態(tài)測試和模態(tài)仿真確認壓縮機支架總成模態(tài)偏低導致的車內噪聲問題，最后通過有限元方法對支架剛度進行提升，進而提升了支架模態(tài)避免共振，改善了車內噪聲問題。涂晴等[4]針對怠速下方向盤振動偏大、影響駕駛員的舒適性問題，通過模態(tài)、傳遞路徑測試確定了由于傳遞路徑過大導致振動偏大，最后通過有限元方法尋找到最優(yōu)的工程方案，實車主觀駕評可接受，實車效果較好。侯宇等[5]通過optistruct軟件對懸置支架進行拓撲優(yōu)化，在保證模態(tài)等NVH性能前提下得到最優(yōu)的懸置支架方案，并實現(xiàn)了支架結構的輕量化。

本文針對某車型怠速工況下車內異響過大問題，經(jīng)過診斷排查發(fā)現(xiàn)是車身控制模塊支架總成振動偏大造成異響問題。對車身控制模塊支架總成進行模態(tài)測試和模態(tài)仿真分析，最終發(fā)現(xiàn)由于車身控制模塊支架總成一階頻率與發(fā)動機怠速二階頻率接近而發(fā)生共振導致異響。通過有限元方法找出支架薄弱位置，優(yōu)化支架結構提升支架剛度，從而提高支架總成一階頻率，避開了發(fā)動機怠速二階頻率。最后實車上主觀駕評未出現(xiàn)異響，驗證了該方案的可行性。

1 模態(tài)理論

模態(tài)屬性是結構本身的固有特性，與外界載荷無關。基于結構的模態(tài)特性仿真能夠獲取其固有頻率及振型，從而得到結構的動態(tài)特性并且以此進行性能評估，判斷其是否滿足設計要求，結構的運動方程[6]為：

(1)

([K]-ω2[M]){X}=0

(2)

式中：A為幅值；t為時間；φ為相位；ω是結構的特征值。ω對應的特征方程為：

det([K]-ω2[M])=0

(3)

由此獲取結構的固有模態(tài)頻率及其模態(tài)振型。

2 車身控制模塊支架總成模態(tài)分析

問題車型發(fā)動機為直列四缸機，發(fā)動機怠速二階頻率計算公式如下：

(4)

式中：n為發(fā)動機轉速；r為發(fā)動機缸數(shù)。

該車型發(fā)動機怠速轉速為800 r/min，可計算得到二階激勵頻率為26.7 Hz。

利用Test.Lab測試軟件對支架總成進行模態(tài)測試，測試結果顯示支架總成一階頻率為27.20 Hz。

2.1 建立有限元模型

車身控制模塊支架總成包括車身控制模塊本體、支架、螺栓等結構，車身控制模塊通過3個螺栓安裝在支架上，支架焊接在轉向管梁上。有限元前處理采用HyperWorks軟件進行網(wǎng)格劃分，支架采用殼單元，單元大小為6 mm。車身控制模塊本體通過劃分殼體本身再生成四面體單元，對其校核質量質心以保證與實物近似。構建完成的車身控制模塊設計狀態(tài)支架總成模型如圖1所示。支架材料為鋼，車身控制模塊殼體材料為PA66，車身控制模塊總質量2.9 kg。

圖1 支架總成模型

支架是直接燒焊在管梁上的，為保證模態(tài)仿真分析結果與實車接近，同時對轉向系統(tǒng)進行有限元建模，最后完成計算模型，約束轉向系統(tǒng)管梁與車身連接點6個方向的自由，如圖2所示。

圖2 參與計算模型

2.2 有限元模態(tài)計算

對計算模型進行模態(tài)工況設置(見圖3)，模態(tài)分析結果顯示支架一階固有頻率為27.59 Hz，并與測試值對比，對比結果見表1。

圖3 設計支架仿真分析結果

表1 CAE計算值與測試值對比

有限元建模過程中由于工程計算需要，會對模型進行必要的簡化，仿真計算結果與實際測試結果會存在一定偏差，在誤差合理范圍之內都認為模型是準確可靠的。本文的仿真結果與測試結果誤差較小，模型準確性較高，基礎模型可用于后續(xù)的支架模態(tài)提升。

綜合模態(tài)測試與模態(tài)仿真分析結果可知，車身控制模塊異響是由于支架頻率與怠速二階頻率耦合產(chǎn)生共振，造成支架振動過大，導致車內出現(xiàn)異響問題。

3 車身控制模塊支架模態(tài)提升

為避免支架與發(fā)動機怠速二階激勵頻率發(fā)生共振，需將支架頻率避開發(fā)動機激勵頻率。提升模態(tài)有兩方面：減小車身控制模塊支架總成質量；提升支架剛度。車身控制模塊已選定，無法減小質量，只能提升支架剛度達到提升支架模態(tài)目的。模態(tài)應變能結果中顏色較深表示剛度較弱(見圖4)，往往是需要提升的部位。設計支架應變能結果顯示根部較弱導致支架剛度偏低，因此，支架剛度提高，支架模態(tài)也會提升。

圖4 設計支架應變能結果

支架工程師依據(jù)CAE方案同時綜合考慮布置、制造工藝以及重量屬性等要求，重新對支架進行了設計。與管梁燒焊面積盡量增大、根部翻邊加大以提升支架剛度，新設計的車身控制模塊支架如圖5所示。設計支架質量為0.22 kg，優(yōu)化后的支架0.29 kg，質量增加在可接受范圍之內。

圖5 車身控制模塊支架

對優(yōu)化后的新支架重新進行有限元建模，并進行模態(tài)仿真分析(見圖6)，優(yōu)化后的支架總成一階頻率為48.8 Hz，與設計支架相比，支架一階頻率提升比例達到78%，避開了發(fā)動機二階怠速激勵頻率。

圖6 優(yōu)化后支架的總成模態(tài)

對優(yōu)化后的支架制作樣件，將樣件裝于實車，實車進行怠速工況下的主觀駕評，實車車內異響消失，車身控制模塊支架異響問題得到有效解決。

4 結語

怠速工況下車內產(chǎn)生異響問題，嚴重影響車內舒適性，通過診斷排查確定異響是由于車身控制模塊支架導致的。通過模態(tài)測試得到支架總成一階頻率與發(fā)動機怠速二階激勵頻率耦合，產(chǎn)生共振造成支架振動過大導致車內出現(xiàn)異響。通過有限元方法建立總成模型計算其模態(tài)，得到支架總成一階頻率，并與實測值進行對比，兩者誤差較小，建立的有限元模型可用于后續(xù)支架模態(tài)提升。在綜合考慮布置、制造工藝以及重量等要求下，支架工程師基于CAE方案并結合應變能結果重新設計出新的車身控制模塊支架數(shù)據(jù)并進行模態(tài)仿真分析，一階頻率達到48.8 Hz，避開了發(fā)動機怠速二階激勵頻率。主觀駕評車內異響問題未出現(xiàn)，從而得到有效解決。

通過有限元方法快速有效提出支架優(yōu)化方案，減少工程時間成本和人力資源，為其他支架模態(tài)提升提供思路參考，具有一定的實際工程意義。