某車型白車身動剛度計算方法與性能優(yōu)化研究

1、某車型白車身動剛度計算方法與性能優(yōu)化研究本文介紹了動態(tài)剛度的基本概念，建立了公司的計算方法，對某車型白車身進(jìn)行動態(tài)剛度分析，進(jìn)而提出優(yōu)化改進(jìn)方案，使該車型獲得良好的NVH性能。1 引言 在轎車車身的性能中，動剛度計算占有重要的地位，其作用主要表現(xiàn)在車身疲勞壽命和整車乘坐的舒適性上。 汽車在行駛的過程中，會受到各種各樣的動載荷。當(dāng)動載荷與車身的動力學(xué)特性接近，即動載荷的某分量與車身的某階模態(tài)的固有頻率接近時，將可能引發(fā)結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生較高的動應(yīng)力，導(dǎo)致車身的疲勞破壞。而車身的動力學(xué)特性對乘坐舒適性的影響，主要表現(xiàn)在NVH性能上。 在某車型項目中，以前期項目為標(biāo)準(zhǔn)，研究白車身動態(tài)剛度的計算方法，修正白

2、車身動剛度有限元模型，確保計算獲得準(zhǔn)確的動態(tài)剛度結(jié)果。計算方法和建模方法的研究完成為之后的動剛度性能優(yōu)化工作搭建了良好的基礎(chǔ)，然后運(yùn)用通過模態(tài)計算尋找改進(jìn)思路，嘗試多種改進(jìn)方案，確定最佳方案使車身動剛度性能達(dá)標(biāo)，提升了整車的NVH性能。2 動態(tài)剛度 動剛度是指計算結(jié)構(gòu)在周期振蕩載荷作用下對每一個計算頻率的動響應(yīng)，也稱為頻率響應(yīng)。激勵載荷是在頻域中明確定義的，所有的外力在每一個指定的頻率上己知。力的形式可以是外力，也可以是強(qiáng)迫運(yùn)動（位移、速度、加速度等）。計算結(jié)果分實部和虛部兩部分。實部代表響應(yīng)的幅度，虛部代表響應(yīng)的相角。通常動剛度采用響應(yīng)的幅值來表示，包括節(jié)點(diǎn)位移、加速度、單元力和應(yīng)力等。動剛

3、度的計算方法主要有直接頻率響應(yīng)、模態(tài)頻率響應(yīng)兩種。 a)直接頻率響應(yīng)，通過求解整個模型的阻尼耦合方程，得出各頻率對于外載荷的響應(yīng)。 b)模態(tài)頻率響應(yīng)，利用結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型來對耦合的運(yùn)動方程進(jìn)行縮減和解耦，同時由單個模態(tài)響應(yīng)的疊加得到某一給定頻率下的解答。其分析的輸出類型與直接頻率響應(yīng)分析得到的輸出類型相同。模態(tài)頻率響應(yīng)分析法利用結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型來對運(yùn)動方程進(jìn)行縮減，因此在對較大模型做頻率響應(yīng)分析時比直接法更右效率。在本車型的頻率響應(yīng)計算中使用模態(tài)頻率響應(yīng)，下面是對模態(tài)頻率響應(yīng)理論的簡介。 假設(shè)輸入的激振力為：點(diǎn)擊圖片查看大圖 響應(yīng)為：點(diǎn)擊圖片查看大圖 則系統(tǒng)的運(yùn)動方程為：點(diǎn)擊圖片查看大圖 式(1)

4、中M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣 假設(shè)點(diǎn)擊圖片查看大圖 其中為系統(tǒng)的模態(tài)變換矩陣，則可把變量從物理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為模態(tài)坐標(biāo)系() 把(2)式帶入(1)式，兩邊同除eit得點(diǎn)擊圖片查看大圖 兩邊同乘T點(diǎn)擊圖片查看大圖 根據(jù)模態(tài)正交性，(4)式變?yōu)椋狐c(diǎn)擊圖片查看大圖 其中Mjj為j階結(jié)構(gòu)質(zhì)量，Cjj為j階結(jié)構(gòu)阻尼，Kjj為j階結(jié)構(gòu)剛度，Pj為j階激振力。 (5)式中每階模態(tài)的響應(yīng)為：點(diǎn)擊圖片查看大圖 再由(2)式可計算出系統(tǒng)在物理坐標(biāo)下的響應(yīng)。 本公司的法國母公司PSA對動態(tài)剛度的計算方法內(nèi)嵌在其自行開發(fā)的CAE軟件OPTIMA中，其中應(yīng)用的算法和控制參數(shù)設(shè)置對我們而言可以說是未知數(shù)。在某車

5、型項目中，我們使用MSC.NASTRAN軟件的模態(tài)頻率響應(yīng)分析，研究確定合理的控制參數(shù)設(shè)置，對該車型的動剛度進(jìn)行了計算分析。如圖(1)所示，一條是本公司計算方法得到的動剛度曲線，一條是PSA的動剛度曲線，兩條曲線基本一致，對標(biāo)性良好，說明DPCA關(guān)于動剛度計算結(jié)果的可靠性。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖1 動剛度計算結(jié)果對比3 某車型動態(tài)剛度分析與優(yōu)化方案 在某車型項目中，對發(fā)動機(jī)右墊塊、動機(jī)左墊塊、前懸減震器安裝支點(diǎn)、后置懸點(diǎn)上支撐、排氣管懸掛點(diǎn)等的x、y、z三個方向施加激振力，進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，動剛度為激振力幅值與響應(yīng)位移之比。結(jié)果表明，在關(guān)注頻率段內(nèi)，主要問題出現(xiàn)在右后側(cè)懸置點(diǎn)的y向動剛度。如圖(

6、2)所示，在關(guān)注頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)動剛度較大的降級，沒有達(dá)標(biāo)。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖2 右后懸置Y向動剛度結(jié)果 對照同頻率段范圍的白車身模態(tài)計算結(jié)果，在后隔板與輪罩的連接區(qū)域，出現(xiàn)較大應(yīng)變能，初步分析由于該區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度不足導(dǎo)致車身右后懸置點(diǎn)動剛度的降級。為了能夠盡快驗證這一推測是否正確，在后隔板和輪罩之間增加一簡單梁支撐，模擬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化，進(jìn)行動剛度計算，結(jié)果如圖所示。在我們關(guān)注的頻率范圍有明顯的改善，說明后隔板和輪罩的連接區(qū)域?qū)τ液髴抑命c(diǎn)的動剛度有較大影響。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖3 改進(jìn)思路點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖4 動剛度結(jié)果對比 依照這一思路我們進(jìn)行了多種改進(jìn)方案的嘗試，如下圖所示 原始方案點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖5 原始方案 方案二增加連接板點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖6 方案二 方案三強(qiáng)化連接板的結(jié)構(gòu)，增加與后懸支架的焊點(diǎn)連接點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖7 方案三 方案四增加連接板側(cè)邊與后隔板的連接點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖8 方案四 結(jié)果如下圖，方案四的成效最為明顯，不僅僅提高了關(guān)注頻率范圍右后懸置點(diǎn)動剛度，也大大改善了高頻段的動剛度。成為最終方案。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖9 分析結(jié)果4 總結(jié) 動剛度是白車身性能重要的評價指標(biāo)之一。本文在正