皮卡前門模態性能研究分析及優化

俞大象，劉云芳

皮卡前門模態性能研究分析及優化

俞大象，劉云芳

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052）

針對皮卡前門模態不達標的問題，建立有限元模型進行分析，采用應變能方法（ESE）對其進行模態優化。通過仿真及實車驗證，提出的優化方案，在不增重的前提下，模態提高，滿足目標要求。說明基于ESE相對于傳統基于工程師經驗的優化方法效率更好，效果更好，對類似的工程優化問題提供一定的參考。

皮卡；車門；內板模態；優化方法；應變能；有限元模型；模態優化

皮卡作為客貨兩用車，在城郊及農村需要較為旺盛，是鄉村振興的重要組成力量[1]。而車門作為人車交互的第一步，其各項性能直接影響駕駛員對汽車的評價。汽車在行駛中會受到路面激勵的作用，車門的模態若同路面和發動機激勵重疊，會與路面和發動機激勵產生共振，帶來異響及轟鳴問題[2]。

為避免以上問題，對于某皮卡新開發車型，需要合理定義其模態目標值，在項目開發前期對其開展CAE分析，及時發現問題，以便優化。

本文基于某新開發皮卡車型前門模態不達標的情況，提出了一種能迅速找出影響車門模態敏感區域的方法，使工程師無需豐富經驗的情況下便能對其進行精確優化，能有效提高汽車研發效率，保證企業研發節點能按時完成[3-4]。

1 有限元分析理論

有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）就是使用數學近似的方法對實際物理系統進行模擬。即使用有限個簡單的相互作用的單元去逼近求解無限的實際物理系統。因此，有限元分析的解并不是準確解，而是一個近似解。

有限元分析法與其他求解近似方法的核心區別在于其近似性僅限于相對小的子域中，因此，對于具有復雜邊界問題的求解十分有效。這是有限元分析在工程分析領域越來越重要的原因所在。

2 有限元模型建立

本文所研究的皮卡前門系統主要由外板、內板、窗框、玻璃、導軌、鉸鏈、防撞梁以及各種加強板搭接板等組成。首先導入前門CAD模型到有限元前處理軟件中。由于車門各部件為塑料件和鈑金件組成，在前處理時，需要先對各部件抽取表面，并清理幾何表面忽略其不重要的微小特征；為了保證分析精度，同時兼顧服務器的計算效率，基于以往經驗，使用7 mm的網格單元尺寸進行劃分。焊點使用acm單元、螺栓等剛性單元使用rigid單元進行模擬。

2.1 網格標準

為避免模型計算出錯，需檢查網格的質量，對不符合標準的網格進行調整，如表1所示。

表1 網格質量標準

2.2 材料屬性

車門模型中需要用到的材料有鋼和改性PP材料，材料參數如表2所示。

表2 材料特性參數

2.3 有限元模型

按照以上步驟，最后劃分出的有限元模型如圖1所示。此模型質量為32.98 kg，所劃分的網格總數為71 965個。

圖1 前門有限元模型

3 模態分析

3.1 模態分析理論

模態就是各結構系統對應的固定的振動頻率，其對應的振動形式稱為模態振型[5]。基于振動力學理論，當外部激勵為0時，且由于前門沒有阻尼，則其運動方程為

式中，{}為前門的位移向量；[]為前門的剛度矩陣；[]為前門質量矩陣。

3.2 工況設置

由于考察TB狀態下車門模態，無需設置約束。在有限元軟件中，設置特征值分析卡片EIGRL，設置模態參數，計算50 Hz以內的模態。控制卡片中選用Nastran SOL103進行求解設置。

3.3 模態結果

通過前門的模態分析可以知道其振型及對應頻率，避免共振風險。基于有限元分析獲得其內板模態頻率為26.43 Hz，振型如圖2所示。

圖2 前門內板一階模態振型

4 模態優化

為避免怠速轟鳴及抖動問題，車門一階模態需避開發動機怠速二階激勵頻率（26 Hz）3 Hz以上，因此，要求TB狀態車門內板模態大于29 Hz。當前設計方案一階模態僅為26 Hz，不滿足目標要求，需對其進行優化。

4.1 應變能分析

應變能是物體變形時存儲在內部的勢能，能夠反映物體局部結構的性能變化。應變能集中的區域，表示該區域的剛度不足，有優化空間。傳統優化方式是根據工程師設計經驗找其薄弱區域進行加強，從而達到模態優化的目的[6]。而根據應變能可以準確找到結構中吸收和儲存能量最大的區域以及整體結構中能量分布，從而可以“對癥下藥”，極大提高優化效率。

為獲得應變能圖，需在上文模態分析基礎上增加應變能（ESE）的輸出結果。如圖3所示。

圖3 應變能輸出設置

提交Nastran求解器計算后獲得影響前門內板模態的關鍵區域如圖4所示。

圖4 一階內板模態應變能圖

由圖4可以看出，在前門一階內板模態頻率下的內板各區域應變能情況。應變能較大的區域主要在a、b、c、d所示位置，可針對此關鍵區域進行結構優化以提高一階內板頻率。

4.2 優化方案

根據圖4，a處由于搖窗電機限制，無法調整結構，故分別在b、c、d處進行結構更改，通過加強筋達到局部加強的效果。優化方案如圖5—圖7所示，左側為優化前結構，右側為各區域優化后結構。

圖5 b處優化方案

圖6 c處優化方案

圖7 d處優化方案

如圖5—圖7所示，分別在1—6處相應位置增加寬16 mm、高4 mm的特征筋；在7處增大此區域鈑金面積；在8處區域下凹5 mm。以提高關鍵區域強度。

圖8 優化后一階內板模態振型

4.3 優化結果

基于如上優化方案，進行模態分析。如圖8所示，獲得前門內板一階模態頻率為29.21 Hz，優化方案滿足要求（>29 Hz）。

優化前后模態對比如表3所示，車門內板模態提高2.78 Hz，優化了10.52%。

表3 優化前后對比

5 工程實施及對標

樣車出來后，對優化后的車門實車樣件進行模態試驗，在車門上安裝傳感器，使用力錘法進行單點激勵，獲得各傳感器的響應，對獲取數據使用頻響函數進行處理，獲得其各階頻率及振型。如圖9所示。

圖9 前門第一階測試振型

將實驗與仿真結果進行對比，其誤差為0.34%，小于5%，仿真精度較高。證明基于應變能提出的方案在工程中應用效果較好，能夠滿足企業要求。

表4 試驗與仿真結果對比

6 結論

通過建立有限元模型，對車門系統進行模態分析，提前識別風險，并基于應變能的模態優化方法，快速識別出結構中影響模態性能的關鍵區域，結合制造可行性對識別出的區域進行結構優化。最后對優化后的車門進行實測，測試結果與CAE分析結果誤差較小，說明本文所描述的方法是行之有效的。

[1] 唐寶安,劉春輝,宋雨童.中國農村皮卡市場現狀與發展趨勢分析[J].專用汽車,2021(11):33-38.

[2] 劉鋒,張瑞乾,陳勇.基于模態和剛度的車門輕量化研究[J].機械強度,2021,43(2):476-481.

[3] 郭澤宇.材料軸向拉伸或壓縮應變能的應用[J].南方農機,2020,51(10):205-206.

[4] 周計祥,吳邵慶,董萼良,等.基于應變模態的模態應變能損傷識別方法[J].振動測試與診斷,2019,39(1): 25-31,218-219.

[5] 劉義,許志沛.機械設計中基于有限元方法的模態分析[J].機械,2003(S1):96-98.

[6] 王子斌,郭勤濤.基于模態應變能的損傷追蹤及程度識別方法研究[J].機械制造與自動化,2019,48(1): 104-107,44.

Modal Analysis and Optimization of Front Door of Pickup Truck

YU Daxiang, LIU Yunfang

( Jiangling Motors Company Limited, Nanchang 330052, China )

Aiming at the problem that the front door modal of pickup truck is not up to standard, finite element method combined with strain energy (ESE) is used to carry out modal optimization. Through simulation and real vehicle verification, the proposed optimization scheme can meet the requirements of the enterprise on the premise of no weight gain. It shows that the optimization method based on ESE is more efficient and effective than the traditional optimization method based on engineer's experience, which provides a certain reference for similar engineering optimization problems.

Pickup truck; Front door; Inner plate modal; Optimization method; Strain energy;Finite element method;Modal optimization

U463.8

B

1671-7988(2022)23-114-04

U463.8

B

1671-7988(2022)23-114-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.021

俞大象（1981—），男，工程師，研究方向為整車造型可行性，E-mail:dyu2@jmc.com.cn。