非承载式suv白车身结构分析及优化

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 非承载式 SUV 白车身结构分析及优 化 摘要： 以某全新开发的 SUV 非 承载式车身为研究对象，建立 V91 车身 有限元模型，并进行模态分析.为使车身 1 阶模态满足目标值要求，对车身进行 灵敏度分析和截面刚度分析，并提出改 进方案.经过优化，车身的 1 阶弯曲模态 提升 7.8%，1 阶扭转模态提升 25.7%.研 究结果可为企业研发非承载式 SUV 车 身提供参考. 中国论文网 /8/view-12919433.htm 关键词： 白车身； 弯曲刚度； 扭转刚度； 断面刚度； 灵敏度分析； 模态频率 中图分类号： U463.82 文献标志 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 码： B Abstract： Taking a new design of the body of bodyonframe type of SUV for the research example， the finite element model is built for V91 body and the modal analysis is performed on it. To make the first order mode meet the requirement of target value， the sensitivity and cross section stiffness is analyzed and an improvement scheme is proposed. By optimization， the first order bending mode of vehicle body is increased by 7.8% and the first order torsion mode is increased by 25.7%. The research results can provide reference for enterprise to develop body of bodyonframe type of SUV. Key words： bodyinwhite； bending stiffness； torsion stiffness； cross section stiffness； sensitivity analysis； modal frequency 0 引言 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 越野或大型 SUV 一般采用非 承载式车身和承载式车架，车身与车架 通过悬置软垫连接.虽然车架是主要承载 部件，但白车身也承担很大一部分载荷， 其作用不能忽略.1 白车身模态参数表 征车身的固有频率和振动特性，会影响 乘坐舒适性，还会对车身寿命、刚度、 强度、可靠性造成影响.2白车身模态 是汽车 NVH 传递函数、动态频率响应 的基础，其重要性不容忽视.为避开外部 激励和发动机及传动系统的激励，需在 整车开发前期分析和优化白车身固有频 率，保证白车身模态性能满足整车技术 规范要求.34 本文以全新开发的某非承 载式 SUV 车身 V91 为研究对象，首先 对竞品车进行模态试验和有限元仿真对 标，以保证有限元建模方法的准确性； 在此基础上，建立 V91 车身的有限元模 型进行自由模态分析.为使整体模态满足 目标值要求，对 V91 白车身进行灵敏度 和截面刚度分析，并提出优化方案.经过 改进，白车身模态性能满足目标值要求. -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 1 竞品车的仿真与试验对标 1.1 竞品车车身仿真模型的建立 及模态分析 使用 HyperMesh 前处理软件对竞 品车白车身进行网格划分.车身件大多数 是钣金件，一般采用壳单元模拟.本文采 用四边形单元和三角形单元划分网格， 网格的平均尺寸为 8 mm.为保证仿真模 型和计算结果精度，对单元质量进行控 制，单元质量参数见表 1.膨胀胶和结构 胶使用 Solid 单元模拟，点焊使用 Solid 和 RBE3 单元模拟. 使用 MSC Nastran 求解器计算竞 品车白车身的自由模态，由于前 6 阶为 刚体模态，所以计算时没有考虑5.经 仿真计算：竞品车白车身的 1 阶扭转模 态为 25.9 Hz，1 阶弯曲模态为 28.5 Hz. 扭转和弯曲模态仿真结果分别见图 1 和 2. 1.2 模态试验验证 为更全面地表征白车身的振型变 化，除 3 个激振点外共布置 168 个测点， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 对这些测点分别进行 x，y 和 z 这 3 个 方向的振动加速度信号采集.采用多点激 振多点拾振法，同时在白车身 x，y 和 z 这 3 个方向进行激振和拾振.为减小附 加质量的影响、提高测试精度，使用质 量和体积较小的 PCB 加速度传感器.白 车身采用悬吊安装方式，使用橡皮绳在 前车颈处和后部将车身悬吊，悬吊频率 为 1.5 Hz.白车身悬吊方式见图 3.试验主 要研究 100 Hz 以下的低频模态，采用 猝发随机信号激振白车身，其信号采集 时的采样频率为 512 Hz，信号平均次数 为 20 次，采样时间为 160 s. 通过对 3 个激振点的自功率谱分 析可知，3 处激振点的自功率谱都很均 匀，表明其在 100 Hz 内可以将能量均 匀分布，符合要求.3 处激振点的自功率 谱密度函数见图 4. 各测点的传递函数试验数据处理 与数据采集同步进行，每采好一批信号， 立即观察其相干性，确保信号的相干因 数在 0.85 以上.6 所采集信号的相干因 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 数见图 5，试验的信号相干因数大于 0.90，符合要求.所有测点的响应信号测 试完成后，最后再完成白车身的模态定 阶和拟合工作，获得其模态质量、模态 刚度和模态阻尼等模态参数. 经试验，测得竞品车白车身 1 阶 扭转模态为 25.9 Hz，1 阶弯曲模态为 28.5 Hz.将试验测得值与仿真模态值进 行对比，见表 2.1 阶扭转模态误差为 1.2%， 1 阶弯曲模型误差为 2.5%.试验 与仿真的误差在 5%之内且振型一致， 符合工程精度要求.因此，有限元模型建 模及分析方法有效，可以用有限元模态 仿真来代替传统的模态试验. 2V91 白车身模态分析 新车开发前期因无实车进行模态 试验，只能通过仿真对白车身模态进行 评估.按照竞品车同样的建模方法和标准， 建立 V91 白车身有限元模型，计算 V91 白车身的自由模态：1 阶扭转模态为 21.8 Hz，1 阶弯曲模态为 26.8 Hz，其 振型见图 6 和 7.V91 原始方案与竞品车 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 结果对比见表 3.与竞品车相比，V91 的 1 阶扭转和 1 阶弯曲分别比竞品车差 16.7%和 8.3%.分析差异原因，竞品车是 无天窗车型，座位数为 5 座；V91 是全 景天窗车型，座位数是 7 座，整车尺寸 更大，质量更大.研究表明，带天窗车身 比无天窗车身扭转刚度低 10%20%.因 此，模态值有一定程度的降低.由此可知， 仿真结果可信，具有一定的参考价值. 3.1 灵敏度分析 为提升白车身的 1 阶扭转模态， 项目前期通过灵敏度分析识别对扭转模 态影响较大的零件.本文选取 C 柱以后 的零件（排除对碰撞安全和 NVH 有较 大影响的顶盖、座椅横梁等零件）料厚 作为设计变量，以白车身 1 阶扭转模态 为约束函数，优化目标为白车身质量轻. 零件编号及其灵敏度排序见图 8. 3.2 断面刚度分析和优化 灵敏度高的零件 1，2 和 10 对扭 转模态较敏感，但盲目提高厚度不符合 项目经济性要求.78 灵敏度高的零件自 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 身刚度及周边结构搭接的形式对扭转模 态也非常敏感.白车身断面包括开口和闭 口 2 种形式，断面形状和尺寸对其断面 特性影响很大.910 综合灵敏度分析及 断面刚度因素，本文对 D 柱关键断面进 行优化.经对比，优化后的断面截面积增 大 26.6%，最大惯性矩提升 32.7%，扭 转常数提升 1.5%.断面参数对比见表 4.D 柱截面位置及优化前后断面对比分 别见图 9 和 10. 4 改进方案模态验证 在对车身 D 柱和其他接头处进行 结构优化后，重新对白车身自由模态进 行计算，结果见表 5.优化后的白车身的 1 阶弯曲模态为 28.9 Hz，比原方案提升 7.8%， 1 阶扭转模态为 27.4 Hz，比原方 案提升 25.7%，整体模态值达到目标值 要求.图 9D 柱截面位置示意 5 结论 （1）建立竞品车仿真模型，对 竞品车进行自由模态试验，将仿真结果 与试验模态结果进行对比，验证建模方 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 法的有效性.在此基础上建立 V91 SUV 白车身模型，并计算 1 阶弯曲和扭转模 态. （2）为使车身 1 阶模态满足目 标值要求，对车身进行灵敏度优化及