刁杰勝，劉文慧，尹楊平

?

白車身固有振動(dòng)特性CAE及試驗(yàn)分析對比

*刁杰勝，劉文慧，尹楊平

（奇瑞商用車（安徽）有限公司工程研究院，安徽，蕪湖 241000）

汽車NVH性能設(shè)計(jì)需對白車身的固有振動(dòng)特性進(jìn)行分析。本文根據(jù)白車身模態(tài)實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)，建立相應(yīng)的有限元模型，并對CAE和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明：白車身的前三階振型一致，第四階振型基本一致；各個(gè)振型對應(yīng)的固有頻率誤差在5%內(nèi)；前二階試驗(yàn)和CAE的固有頻率略低于目標(biāo)值要求，暫時(shí)風(fēng)險(xiǎn)接受，待路試試驗(yàn)驗(yàn)證后再?zèng)Q定是否進(jìn)行優(yōu)化；第三階和第四階試驗(yàn)和CAE固有頻率都滿足目標(biāo)值要求。根據(jù)CAE規(guī)范分析得到的結(jié)果具有較高精度，針對本車，可用CAE方法進(jìn)行模態(tài)優(yōu)化，這對降低汽車生產(chǎn)成本，改善NVH性能具有重要意義。

固有振動(dòng)特性；NVH性能；試驗(yàn)分析；CAE分析；汽車生產(chǎn)成本

汽車生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)整車性能時(shí)都非常重視NVH性能，NVH性能包括振動(dòng)、噪聲、舒適性等[1]。而振動(dòng)是噪聲產(chǎn)生的重要原因，也會直接影響乘客的乘車舒適性。當(dāng)激振頻率接近或等于固有頻率時(shí)，車體會產(chǎn)生共振，在設(shè)計(jì)過程中需保證白車身各階固有頻率不能低于目標(biāo)值。白車身模態(tài)分析方法有CAE和試驗(yàn)兩種[2-5]，白車身CAE分析和試驗(yàn)狀態(tài)分別由汽車生產(chǎn)廠家的分析規(guī)范和試驗(yàn)規(guī)范決定，不同的分析和試驗(yàn)規(guī)范得到的結(jié)果不同，為驗(yàn)證CAE分析結(jié)果的有效性和兩種分析規(guī)范的一致性，需根據(jù)試驗(yàn)時(shí)狀態(tài)調(diào)整CAE分析的狀態(tài)，并對試驗(yàn)和CAE分析的結(jié)果進(jìn)行對比。本文通過試驗(yàn)分析白車身的模態(tài)，并根據(jù)試驗(yàn)的狀態(tài)調(diào)整CAE分析模型，最終對兩者的分析結(jié)果進(jìn)行對比，判斷兩者的關(guān)聯(lián)性，并驗(yàn)證是否滿足目標(biāo)值。本文為車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供方法，并為車身的NVH性能設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 模態(tài)分析原理

白車身系統(tǒng)可以離散為具有i個(gè)自由度的系統(tǒng)，對于受迫振動(dòng)的彈性系統(tǒng)振動(dòng)微分方程為[6]：

2 白車身有限元分析

本文使用Hypermesh14.0軟件對白車身進(jìn)行有限元建模，使用線性求解器MSC Nastran14.0進(jìn)行模態(tài)分析，并在Hyper View模塊進(jìn)行后處理。

2.1 白車身有限元模型建立

白車身有限元模型是根據(jù)試驗(yàn)時(shí)白車身狀態(tài)建立，包括車身骨架、副車架、前擋風(fēng)玻璃、前后保險(xiǎn)杠橫梁和轉(zhuǎn)向柱支架，車身骨架各鈑金件用帶有厚度的殼進(jìn)行模擬，對殼劃分網(wǎng)格時(shí)，單元基本尺寸為8 mm。裝配各鈑金件的時(shí)候，焊點(diǎn)采用acm單元模擬[7]，焊點(diǎn)大小為6 mm，粘膠采用adhesive單元模擬，焊縫和螺栓采用rigid單元模擬。各零部件為線性材料，材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性

對白車身進(jìn)行自由模態(tài)時(shí)，車身無約束，也無外界荷載。在Hypermesh荷載集中設(shè)置模態(tài)荷載，包括求解的頻率搜索范圍和模態(tài)的求解算法，搜索范圍設(shè)為0.1-80 Hz，求解算法卡片選EIGRL。還需設(shè)置模態(tài)分析的載荷步，包括設(shè)置分析類型為模態(tài)分析，分析方法選擇之前創(chuàng)建的模態(tài)荷載。最后設(shè)置求解輸出為位移和應(yīng)變能，建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 白車身有限元模型

2.2 模態(tài)分析結(jié)果

低階頻率對動(dòng)態(tài)特性影響較大，且汽車在正常路面上以低于150 km/h速度行駛時(shí)，路面對汽車激振頻率在21 Hz以下，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)激勵(lì)頻率約為27~30 Hz[8]，都為低階頻率。故從CAE分析結(jié)果中提取車身的前4階模態(tài)振型，振型圖如圖2所示，對應(yīng)的固有頻率結(jié)果如表2所示。

表2 CAE分析白車身各階頻率

3 白車身模態(tài)試驗(yàn)

試驗(yàn)方法是用橡皮繩對白車身進(jìn)行懸掛，使白車身近似達(dá)到自由狀態(tài)，再用激勵(lì)器激勵(lì)車身剛度較大的部位[9]，測得車身上不同位置上的加速度響應(yīng)。通過計(jì)算在頻域上輸出的加速度響應(yīng)與輸入激勵(lì)力的比值得到振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。最后通過信號處理與模態(tài)參數(shù)識別，獲得車身模態(tài)振形，模態(tài)頻率與模態(tài)阻尼[10]。

3.1 測量點(diǎn)布置

根據(jù)白車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和試驗(yàn)的實(shí)際情況，在白車身上布置了將近300個(gè)測量點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)都有標(biāo)記和代號，測量各點(diǎn)相對于車身上某定點(diǎn)的坐標(biāo)，然后在LMS Test.Lab 12 A結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析軟件系統(tǒng)上建立的白車身結(jié)構(gòu)測點(diǎn)模型，模型由頂蓋、地板、車尾、車側(cè)身、前后翼子板和前艙測點(diǎn)數(shù)據(jù)組成。測點(diǎn)布置圖和測點(diǎn)模型圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 測點(diǎn)布置圖

圖4 測點(diǎn)模型圖

3.2 各點(diǎn)傳遞函數(shù)測量

本試驗(yàn)采用MB Dynamics公司生產(chǎn)的MB模態(tài)激振器產(chǎn)生激勵(lì)信號，在車身前部設(shè)置Y方向的激勵(lì)，車身后部設(shè)置Z方向的激勵(lì)；獲取響應(yīng)信號的裝置采用PCB公司生產(chǎn)的加速度傳感器；放大響應(yīng)信號裝置采用PCB公司生產(chǎn)的ICP放大器；信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集裝置采用LMS公司生產(chǎn)的SCADAS III信號采集系統(tǒng)；模態(tài)分析計(jì)算采用LMS Test.lab 12A結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)。各實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

獲取各個(gè)測量點(diǎn)傳遞函數(shù)的流程如圖6所示。

圖6 測量方法流程圖

3.3 模態(tài)參數(shù)識別

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)用PolyMAX模態(tài)參數(shù)識別算法處理后，得到在低頻率段內(nèi)的模態(tài)參數(shù)，獲得的穩(wěn)態(tài)圖如圖7所示。從穩(wěn)態(tài)圖中可看出：各個(gè)峰都比較清晰，峰與峰之間沒有耦連，各階模態(tài)之間相互影響很小，擬合時(shí)可按單自由度模態(tài)進(jìn)行處理。

圖7 用PolyMAX獲得的穩(wěn)態(tài)圖

3.4 試驗(yàn)分析結(jié)果

用LMS Test.Lab 12A系統(tǒng)對車身所有測點(diǎn)的傳遞函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合出的前4階模態(tài)頻率見表3，車身各階模態(tài)振型見圖8。

圖8 試驗(yàn)白車身振型

表3 試驗(yàn)測得白車身各階頻率

4 試驗(yàn)和CAE模態(tài)分析結(jié)果對比

1）振型對比：對比表2的CAE白車身振型和表3的試驗(yàn)白車身振型，可以看出前三階振型一致，分別為一階扭轉(zhuǎn)、前端橫擺、前端扭轉(zhuǎn)，整體彎扭。試驗(yàn)的第四階振型試驗(yàn)和CAE的擋風(fēng)玻璃局部模態(tài)一致，一階彎曲在試驗(yàn)結(jié)果中表現(xiàn)不明顯。

2）固有頻率對比：頻率對比表如表4所示，從表中可以看出試驗(yàn)和CAE的各階振型對應(yīng)的頻率誤差分別為4.9 %、0.9 %、0.6%和1.3 %，在5 %范圍內(nèi)，各階振型對應(yīng)的頻率基本一致，誤差較小，具有較高的精度。

3）目標(biāo)值對比：從表4的頻率對比表可以看出，前二階試驗(yàn)和CAE固有頻率略低于目標(biāo)值，暫時(shí)風(fēng)險(xiǎn)接受，待路試試驗(yàn)驗(yàn)證后再?zèng)Q定是否進(jìn)行優(yōu)化；第三階和第四階試驗(yàn)和CAE固有頻率都滿足要求。

表4 頻率對比表

5 結(jié)論

本文建立了白車身的有限元模型，分析得到低階固有頻率和對應(yīng)振型；對白車身實(shí)車進(jìn)行試驗(yàn)測量，得到低階固有頻率和對應(yīng)振型。最后對CAE和試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)論為：前三階振型一致，第四階振型基本一致；振型對應(yīng)的固有頻率誤差在5%內(nèi)；前二階試驗(yàn)和CAE固有頻率略低于目標(biāo)值，暫時(shí)風(fēng)險(xiǎn)接收，待路試試驗(yàn)驗(yàn)證后再?zèng)Q定是否進(jìn)行優(yōu)化，第三階和第四階試驗(yàn)和CAE固有頻率都滿足要求。根據(jù)CAE規(guī)范分析得到的結(jié)果具有較高精度，故針對本車，可用CAE方法對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，這對降低汽車生產(chǎn)成本，同時(shí)通過避免激振頻率和固有頻率的重疊，對降低噪聲和提高乘車舒適性等方面具有重要意義。

[1] 胡小舟,林建平,胡巧聲,等. 基于模態(tài)應(yīng)變能及靈敏度分析白車身模態(tài)分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2015, 34(9): 1415-1418.

[2] 趙常虎,郭永進(jìn),余海東. 轎車白車身骨架低階模態(tài)特性研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2007,11(11):180-182.

[3] 張建,唐文獻(xiàn),馬寶,等. 某轎車白車身試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 26(2):146-149.

[4] 周長路,范子杰,陳宗渝,等. 微型客車白車身模態(tài)分析[J]. 汽車工程, 2004,26(1):78-80.

[5] Chen W H，Lu Z R. Theoretical and experimental modal analysis of the Guangzhou New TV Tower[J]. Engineering Structures,2011, 33( 12) :3628-3646.

[6] 馬驪凕,朱智民,安占飛,等. 轎車白車身模態(tài)分析[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2013,32(21)：214-218.

[7] 趙晶英,項(xiàng)順伯,陳英?。p型卡車底板縱梁生產(chǎn)線的機(jī)器人焊接仿真[J]．機(jī)械設(shè)計(jì), 2012,29(4):26-31．

[8] 羅明軍,周帆,趙永玲. 轎車車身怠速共振分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2015, 32(3):46-50.

[9] Guillaume P，Verboven P，Vanlanduit S，et al. A poly-reference implementation of the least-squares complex frequency domain estimator [C].Proceedings of IMAC 21, the International Modal Analysis Conference，Kissimmee （FL）, USA，F(xiàn)ebruary, 2003．

[10] 劉煥廣,陳朝陽,譚繼錦,等. 商務(wù)車白車身試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,30(12): 1615-1619.

Contrast of CAE and experimental analysis method for natural vibration characteristic of BIW

*DIAO Jie-sheng，LIU Wen-hui，YIN Yang-ping

( Automotive Engineering Research Institute, Anhui Chery Commercial Vehicle Company, Wuhu, Anhui 241000, China)

The natural vibration characteristic of BIW (body in white) should be analyzed in the process of NVH (noise vibration and harshness) performance design for the vehicle. The finite element model is established according to the state of modal experiment for the BIW. The results show that the first three orders of mode shapes for the BIW are the same by the method of CAE (computer added engineering) and experiment. The fourth-order shape is largely consistent. Each proper frequency of each shape has a maximum error of 5%. The first two orders proper frequency measured by the two methods mentioned above are approaching the goal. Both the CAE and experiment results are accepted by risk temporarily. The optimization will be done when the results of test on road are not good. Both the third and fourth-order proper frequencies measured by the two methods meet the goal. The results have high accuracy using the method mentioned in the CAE specifications. The modal optimization for the vehicle can use the CAE method. It has significant importance to optimize automobile structures, reduce car production cost and improve NVH performance by using the CAE analysis method.

natural vibration characteristic; NVH performance; experimental analysis; CAE analysis; car production cost

U463.82

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2019.02.013

1674-8085(2019)02-0072-05

2018-12-29；

2019-01-11

*刁杰勝(1989-)，男，安徽巢湖人，碩士，主要從事現(xiàn)代化設(shè)計(jì)理論、方法和CAE仿真技術(shù)研究(E-Mail: djsh0001@163.com);

劉文慧(1985-)，女，安徽蕪湖人，工程師，碩士，主要從事汽車碰撞安全分析及優(yōu)化技術(shù)等研究(E-Mail：lwh111052@163.com);

尹楊平(1985-)，女，安徽馬鞍山人，主要從事CAE仿真技術(shù)研究(E-MAIL:yinyangping@126.com).