基于模態應變能分析的車輛后門內板結構優化

摘 要：本文針對開發車型后門內板局部模態頻率未達到參考車型問題，通過模態應變能分析進行結構優化以提升內板局部模態頻率。首先，通過HyperMesh建立后門鈑金結構有限元模型并進行模態分析，識別模態發現內板局部模態未達標；然后，進行模態應變能分析找出內板局部模態薄弱點；最后，結合內板結構特點補強剛度不足的地方，提升內板局部模態頻率。研究結果表明，基于模態應變能分析方法針對應變能集中位置補強結構能夠有效地提升后門對應模態頻率，提升后門動態性能。

關鍵詞：后門內板 局部模態 模態應變能 結構優化

0 引言

車門系統是整車的重要組成部分，其模態性能好壞直接影響整車NVH性能，而整車NVH性能又是衡量整車乘坐舒適性的重要指標。因此，車門模態性能對乘客乘坐舒適性的主觀感受有重要影響。車門模態如果與車輛發動機或行駛路面激勵頻率耦合，那么可能引起共振放大鈑金振幅導致轟鳴或異響。

王正興等通過有限元方法對揚聲器盆架進行模態及諧響應分析，在其低頻模態應變能集中位置進行優化，使揚聲器盆架一階模態頻率由547.3Hz提高至1031.6Hz，且模態應變能趨于均勻分布，以減小振動對揚聲器帶來的危害[1]。金棟等針對因與尾門30Hz呼吸及外板中間模態耦合共振引起的某SUV車型車內低頻轟鳴聲問題，通過尾門30Hz模態振型分析確定在尾門內外鈑金之間加裝一種復合材料制成的支架，提高尾門結構薄弱點，使工況測試的關鍵峰值30Hz附近聲壓級下降5dB，經評估主觀可接受[2]。俞大象等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，采用模態應變能分析方法對其進行結構優化，經優化的車門內板模態提高了2.78 Hz，滿足目標要求[3]。劉鋒等以某車型左前車門為研究對象，模態、剛度作為約束條件，厚度作為設計變量，質量作為優化目標進行車門結構輕量化設計，優化后的車門質量下降了6.01%[4]。殷曉偉等采用HyperStudy 軟件對某汽車后門模態、扭轉剛度和下垂剛度進行多學科設計優化，經優化后汽車后門扭轉模態提高了2.03Hz，扭轉剛度的加載點位移從5.863mm 降低到了5.126mm，下垂剛度的加載點位移的絕對值從2.588mm降低到了2.534mm，后門質量僅增加了0.02kg[5]。李華清等以地板振動傳遞函數為目標函數對地板結構進行形貌優化，峰值優化最高達44.1%[6]。

以上研究通過模態應變能分析、模態振型分析、形貌優化設計對各類機械器件進行結構優化達成降低振動振幅提升機械結構振動噪聲性能的目的。另外，還通過建立數學優化模型以質量為約束條件優化模態，或者以模態為約束條件優化質量。本文基于模態應變能分析方法對車輛后門結構進行優化，達到參考車型對應模態頻率目標值。

1 模態分析理論基礎

在車輛NVH性能分析中，模態分析是常用的研究結構動力學性能的一種方法，是車門性能分析的一項重要分析項。計算結構件自由模態時，首先建立多自由度系統振動微分方程如下式。

式中：M為質量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，X為位移向量。

實際計算中，由于阻尼矩陣C對固有頻率和振型的影響較小，故忽略不計，式（1）可簡化為

解式（2）即可得固有角頻率ω和振型X。

從模態固有角頻率和振型中，難以得出結構中剛度相對薄弱的位置。因此，需要結合使用模態應變能分布來判斷對應模態振型中吸收能量最集中的位置，也就是能夠進行優化提升模態固有角頻率的地方。單元模態應變能計算公式如下式所示。

式中：為單元應變能，為單元剛度矩陣，為單元位移向量。

從上式可見，單元模態應變能越高，局部位移越大，結構剛度就越低。因此，結構某階模態振型局部區域出現應變能集中的情況表明此處剛度的不足，受外界激勵時更容易被破壞。進行模態優化時，就是要加強這些局部剛度不足的地方。

2 后門模態分析

2.1 后門模型建立

后門主要由內、外鈑金件組成，將后門3D模型導入HyperMesh后進行網格劃分。劃分過程會忽略一些小的幾何細節，比如尺寸較小的圓孔、倒角倒圓、螺栓螺帽等，因為這些幾何特征對模態分析結果的影響較小。結構建模過程中鈑金網格尺寸為5mm×5mm；焊點使用ACM單元模擬，并賦予相應焊點屬性；焊縫使用PENTA單元模擬，并賦予相應的焊縫屬性；粘膠使用ADHESIVES單元模擬，并賦予相應的粘膠屬性。對后門進行網格劃分后的有限元模型如圖1所示。

2.2 后門模態分析

模態是指機械結構的固有振動特性，每一個模態都有特定的頻率和振型。對于后門，主要識別其一階扭轉模態、一階彎曲模態、內板局部模態和外板局部模態四個模態。對照參考車型后門四個模態頻率，只有內板局部模態頻率44.4Hz沒有達到參考車型對應模態值48Hz。識別出來的內板局部模態振型如圖2所示，對應的應變能云圖如圖3所示。由圖2可知，后門內板因為中間部位掏了一個不規則五邊形大孔，大大削弱了內板局部剛度，導致內板局部模態頻率偏低，出現振幅峰值。

優化前后門內板局部模態應變能云圖3表明，模態應變能集中部位一部分沿內板中間不規則五邊形大孔和另一個圓形小孔周圍臺階分布，另一部分沿后門內板邊緣開合側大臺階分布，還有一部分集中在玻璃三角窗框靠門鎖的角處。這些部位要么是各鈑金結構搭接部位，要么是鈑金拓撲形狀發生突變的位置，后續優化就是要從這三處入手進行結構局部加強以提高后門內板局部模態剛度。

3 結構優化

依據后門內板局部模態應變能云圖3，并結合后門內板局部模態振型云圖2及后門鈑金結構特點，發現模態應變能集中的位置主要有3處，分別為后門內外鈑金與三角玻璃窗框架搭接部位①、后門內板鈑金沿玻璃窗框下邊緣加強橫梁靠近門把手側最高臺階處②，和后門內板鈑金在玻璃升降導軌底端靠近后門圓弧拐點位置最高凸起部位③，如圖3中紅色方框所圈處。針對后門內板鈑金應力集中①處，在外板鈑金和門框搭接部位增加1條焊縫，如圖4（a）所示；對于應力集中②處，延伸玻璃窗框下邊加強橫梁與內板鈑金之間增大搭接面，如圖4（b）所示；在應力集中③處，增加連接件將玻璃導軌和外板支撐梁連接起來，如圖4（c）所示。

將結構優化后的后門鈑金有限元模型提交Optistruct求解器計算，結果顯示優化后的后門內板局部模態頻率為48.4Hz，相比較優化前提高了4Hz，達到參考車型內板局部模態頻率值，如圖5所示。相比較優化前的后門內板局部模態頻率及振型云圖，優化后的模態頻率大幅提升，振型云圖振動范圍明顯縮小，表明內板局部模態剛度薄弱處經結構加強后得到有效改善。

4 結論

整車研發過程中，車門模態性能對于整車NVH性能提升有重要作用。本文通過模態分析發現后門內板局部模態頻率未能達到參考車型對應值，故使用模態應變能分析影響后門內板模態的關鍵部位。在確定后門內板鈑金局部剛度薄弱處后，結合該處鈑金結構特性提出相應的優化方案，最終達成優化目標。研究結果表明，基于模態應變能的結構優化方法能有效應用于后門內板鈑金模態頻率提升。

參考文獻

[1]王正興，彭芳梅，謝守華.基于模態應變能的揚聲器盆架優化[J].機械制造，2024，62（03）：61-66+97.

[2]金棟，李華清.某SUV車內低頻轟鳴聲的分析與控制[J].科技和產業，2023，23（21）：235-240.

[3]俞大象，劉云芳.皮卡前門模態性能研究分析及優化[J].汽車實用技術，2022，47（23）：114-117.

[4]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（02）：476-481.

[5]殷曉偉，張瑞乾，陳勇.基于多學科設計優化方法提高汽車后門性能[J].北京信息科技大學學報（自然科學版），2020，35（03）：74-79.

[6]李華清，張相坤.內飾車身地板振動性能優化分析.噪聲與振動控制.2017，37（6）：56-60.