X8后车门模态性能分析—学士学位论文.docx

密级： nanchang university学 士 学 位 论 文thesis of bachelor（20102014年）题 目x8后车门模态性能分析 南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期：导师签名： 日期：x8后车门模态性能分析摘 要随着科技的进步，各种类型的汽车已悄然走进我们的生活。人们对汽车的概念越来越清晰化、具体化。总所周知，车身最重要的构件之一是车门，它是由门体、车门附件及门内饰盖板构成壳体，由内板和外板等构件通过一些汽车工艺连接而成。内板和外板是由钢板冲压而成，在制作过程中，外板外形需与车的整体相协调。在车门的边缘部分，外板与包着的内板构成了一个刚性箍。同时，内板上冲有各种不同形状的窝穴、孔洞、加强筋，这样是为了更好的安装附件，当车门附件安装完毕之后，内饰板起到内板掩盖的作用。而为了消除应用上的集中和更好的增加车门强度，内板上还焊有支架和各种加强板1。对于车门来说，刚度是车门安全性能不可或缺的重要参考因素，足够的刚度可以提升车辆在侧向发生碰撞时的安全性，防止车门下沉，保证车门工作可靠，所以对车门进行相应的刚度分析是必不可少的。在行驶时，由于路面的不平坦、发动机的运转和风的阻力等振源因素，会使车门产生振动，产生的共振会严重影响到乘坐的安全性与舒适性，同时也会降低车门的使用寿命。为了解决这一问题，我们可以采用车门有限元模态分析进而诊断出车门结构的不合理之处，在不影响车门的整体性能的情况下，对其结构进行再优化。本文采用的分析法是有限元方法。运用hypermesh和msc软件对x8车后门进行cae分析, 进而完成后车门模态性能分析工作。有限元分析法是现代工程设计中一种有效、快捷的辅助工具。把有限元方法应用在汽车结构设计中，在汽车产品质量的提升，新车研发设计周期的缩短，产品竞争力的提高，汽车研发经费的降低等方面都起会到了一个质的飞跃的作用。关键词：x8后车门；有限元；模态分析；结构设计x8 reardoor modal performance analysisabstractwith the progress of science and technology, various types of car has quietly come into our lives. people on the concept of the car is more and more clearer and embodiment. known, one of the most important components of car body is the door, and it is made up of door, the door accessories door trim cover plate shell, from the plate and shell components through some cars can be connected with the process. in plate and shell is made of steel sheet stamping, in the process of production, plate shape should be in harmony with the car as a whole. part on the edge of the door, the outer plate covered with inner plate form a rigid hoop. rush on at the same time, the board has a variety of different shapes of pothole, holes, reinforcement, this is in order to better installation accessories, after the door accessories installed, interior trim panels have the effect of the plate cover. and concentration on application in order to eliminate and better increase the intensity of the door, the board also with stents and all kinds of welded reinforcing plate. for the door, the stiffness is the door safety indispensable important reference factors, enough stiffness can improve vehicle side collision at in security, prevent the door down, ensure reliable car doors, and so on the door of the stiffness of the accordingly analysis is necessary. when driving, due to the uneven road surface, engine vibration source factors such as operation and wind resistance, the door causes vibration and the resonance can severely affect on the safety and comfort, but also can reduce the service life of the door. in order to solve this problem, we can adopt finite element modal analysis and diagnosis of the door the door of the structure of the unreasonable place, in the case of the door does not affect the overall performance, its structure is optimized again. this article adopts the analysis method of finite element method (fem). by using hypermesh and msc software cae analysis was carried out on the back door by 8 car, and then after the completion of the door of the modal performance analysis. finite element analysis method is an effective and fast modern engineering design support tools. finite element method is applied in the automobile structure design, in the automobile product quality improvement, research and development of new car to shorten the design cycle, improve product competitiveness, automobile research and development spending reduction should come up in such aspects as the role of a qualitative leap. keywords: x8reardoor; finite element；modal analysis; structural design目录摘 要ix8 reardoor modal performance analysisiiabstractii第一章 绪论11.1引言11.2研究背景及意义11.3有限元分析法研究现状31.4研究内容4第二章 有限元法及hyperworks工具软件62.1有限元法的基本介绍62.2有限元法的基本原理62.3有限元法应用的基本步骤62.4 hyperworks软件的介绍72.4.1 hypermesh的功能模块72.4.2 hypermesh用户界面72.5 hypermesh常规建模流程8第三章 x8后车门有限元建模93.1后车门几何模型的建立和导入93.2几何清理103.3网格划分123.4网格质量检查153.5模型装配163.6定义材料属性173.7建立组件集183.8用 nastran求解器进行求解18第四章x8后车门的模态性能分析194.1模态性能分析理论基础194.2 模态分析的边界选择204.3自由边界下的模态分析204.3.1模态分析流程204.3.2模态分析的作用21总结24参考文献25致 谢27第一章 绪论1.1引言当今社会飞速发展，人们的生活水平也不断提高，对各方面的要求也在不断提升，对生活的便利与安全意识也在不断加强，汽车作为现代生活的不可或缺的工具，已经在人们的生活中发挥了极大的作用。汽车发展近百年来发生了非常大的变化，尤其近几十年，可以说是飞速发展。汽车的应用覆盖面也越来越广，汽车的性能及各方面的优化也越来越受到人们的关注，人们越来越重视汽车的整体性能，对汽车的舒适性、安全性、环保性和经济性的要求越来越高。而整车的nvh性能水平也在整车的开发过程中越发显得重要，作为汽车整体性能的一个重要部分，汽车的模态性能比起汽车其他性能尤为重要，汽车模态性能最直观的体现就是nvh（noise and vibration and harshness）噪声、振动与声振粗糙度的特性问题，它给汽车用户的感受是最直接和最表面的。它是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业最关注的问题之一。有统计资料显示，各大公司有近20%的研发费用消耗在解决车辆的nvh问题上。车门作为汽车车身中十分重要而又相对独立的一个部件,其性能直接影响到整车的性能。所以在车门设计开发过程中,有必要对各种方案进行分析和考虑。通过有限元分析的方法时车门结构进行模态分析,不仅可以缩短整车开发时间,结合白车身模态分析又可以保证与整车模态匹配,最后确保达到结构设计要求。 汽车行驶过程中的激励有路面激励、车轮不平衡激励、发动机激励、传动轴激励等2。车门会在发动机运转、路面不平以及高速行驶时的风力等振源激励下产生振动，如果这些振源的激励频率接近车门的固有频率,便会引发共振现象，产生剧烈的振动和噪声，极大的降低了车辆的舒适性，甚至造成钣金件的振动开裂，零部件的疲劳损坏，车门表面保护层的破坏，削弱车门的抗腐蚀能力等危险情况。车门作为汽车的一个重要部位，它对于保护乘员的安全，体现汽车整体的美观都有很大的意义，所以cae分析对于车门设计至关重要。1.2研究背景及意义随着我国改革开放的不断深入发展,尤其是加入世贸组织以来,国民经济得到了很大的发展,汽车数量的需求在与日俱增。人们对于汽车的各项性能指标如：动力性、舒适性、经济性、安全可靠性和操纵稳定性等要求也在不断提高。因此,无论是汽车设计技术还是汽车分析技术都显的尤为重要。我国是一个发展中社会主义国家,与世界上各发达国家相比,我国汽车产业的品种和质量都存在很大差距。但是,我国汽车工业在国民经济中仍然占有举头轻重的地位。面对汽车制造技术的日新月异，只有不断创新变革才有可能不被淘汰。目前，汽车整形需要往各方面进行发展，为响应国家环保节能政策，汽车轻量化已成为一种趋势。汽车重量与汽车燃料消耗成正比关系，汽车重量降低，燃料消耗也会相应的降低。所以，汽车轻量化是在保证汽车能在安全性能的坏境中使用的情况下，尽可能地去优化汽车结构，减轻汽车的整体重量，以达到提高汽车的动力性，降低燃料消耗，减少尾气排放的目的。因此，在汽车设计过程中，在尽量满足对汽车强度、刚度及工艺改造等要求的前提下，应尽可能优化结构、减轻它们的重量、节约制造成本。现如今，汽车制造业竞争激烈。为了给汽车新产品研发提供借鉴，同时加快产品的开发速度，提升汽车的整体质量和科技含金量，对现有的汽车进行cae分析、模态性能研究进而达到对汽车整体构架的的完善和优化。而车门集安全设施及美观功能为一体，作为汽车车身很重要的部件之一。它的质量好坏和整体结构的设计将会直接影响到车的各方面性能，如经济性、动力性、操纵稳定性。在汽车的整体研究中，车门的研究不容忽略3。在形形色色的车型中，人们对车门的要求标准却是一样的，主要体现在：(1)具有足够好的防撞性能(2)具有相应的刚度与强度,不易下沉和变形(3)具有很好的密封性(4)具有良好的开合便利性(5)具有很高的安全性能,车门能锁稳(6)开关简单,车窗玻璃升降方便(7)工艺制造性巧,便于冲压和配件安装(8)外形要求与整车协调一致.车门的设计是一个渐变革新的的过程。传统车门的设计方法比较繁琐,它是通过进行大量的试验,从试验结果中找出相关不足之处,进而加以改进完善.对改进后的设计还需进行试验,如出现不足之处还需再改进再试验.这是一种反复试验改进的过程，因此传统车门设计需要耗费大量的人力、物力、财力。所以，传统设计法势必会被取代。为了解决传统车门设计的不足，伴随的有限元分析技术已日趋成熟。它是通过计算机提供模拟的环境进行模拟,可以有效地模拟计算结果,从而为车门的设计及完善提供参考。随之，各种通用程序、专用程序的求解功能也很完善而且操作简单方便。应用这些通用程序或专用程序能清楚地分析计算汽车结构中的绝大部分部件甚至整车部件的有限元静态分析、动态分析和固有特性分析。有限元方法的迅速发展及其简单方便的分析计算让它成为了一种趋势。在许多发达国家，有限元分析已经成为一种产品设计中的常规方法。我国汽车工业的总体水平仍然落后，在汽车的设计、制造和改进过程中，引入有限元分析是非常有必要的。本文是对x8后车门模态进行有限元分析，对后车门性能做出评价，为车门设计改进提供理论基础。1.3有限元分析法研究现状自1896年世界上第一辆汽车诞生到现在,汽车工业已经经历了112年的发展史，汽车本身所具有的优点，使其得到了迅速的发展正是由于汽车的诸多优点，很多国家的铁路运输已经大部分被汽车运输所替代，随着我国改革开放的不断深入发展，尤其是加入世贸以来，国民经济得到了很大的发展，人们对汽车品质和数量的需求也有了很大的提高，这样，无论是汽车设计技术还是汽车分析技术都显的尤为重要，汽车的各项性能(如动力性,经济性,舒适性,操纵稳定性和安全可靠性等)指标也在不断提高，使汽车的优越性得到更加充分的发挥，我国是一个发展中的社会主义国家,与世界上发达国家相比，汽车的产量，品种和质量都存在很大差距。但是，我国汽车工业在国民经济中仍然占有相当重要的地位，迅速发展汽车工业，不仅可以带动相关产业的发展，提供大量的就业机会，还能带动相关领域的技术进步，为提高国家的综合实力提供重要的保证。众所周知，车身开发占整车开发的大部分时间与费用,车身结构的合理性与美观性直接影响到整车，迅速开发车身对于整车占领市场十分有利，车身的设计直接决定整车的安全性，舒适性，美观性以及由车身外形空气动力性能决定的操纵稳定性!动力性，经济性等。国内外汽车生产的实践也表明,整车生产能力的发展取决于车身的生产能力；汽车的更新换代在很大程度上也决定于车身随着计算机技术和数值计算方法的发展,大型复杂工程问题(当然包括车身问题)可以采用适当的数值计算方法并借助计算机技术求得满足工程要求的数值解，而车门作为车身的重要构件,其结构性能的好坏将直接影响整车性能的优劣。近些年随着计算机技术的日趋成熟和计算速度的快速提高，有限元分析法备受关注，它的运用领域越来越广泛。在设计制造业中，不管是汽车产业，还是航天飞机都离不开有限元分析计算。在其他研究领域中如国防军工、电子电器、材料加工、土木建筑等都有深入涉及。有限元分析法的核心可以概括为结构的离散化。具体就是将实际结构假想地离散为多个数目的规则单元组合体，分析物体实际结构的物理性能就可以通过分析离散的单元组合体，从而得出满足工程精度的近似结果，这样就可以达到解决很多实际工程必须解决而理论分析又无法解决的目的。有限元分析法的应用使各领域研究发展都有质的飞越主要表现在17：（1）可增强产品性能的可靠性（2）经分析计算，可选择出最优化设计方案，从而降低成本（3）可在产品的设计过程中发现可能会存在的潜在问题（4）可缩短产品生产周期（5）在模拟试验过程，可减少试验次数。同时有限元分析法与cad软件的无缝集成，超强的网格处理能力，由单一结构场问题求解发展到耦合场问题的求解 ，由求解线性问题发展到求解非线性问题，开放性程序等特点无疑成为首选4。有限元分析法在我国汽车领域分析已发展到普遍应用有限元法静强度和有限元动态响应分析及优化分析阶段。在国外有限元分析法也十分受重视，利用有限元方法对汽车车门结构进行辅助设计和分析取得了大量的研究成果。1.4研究内容车门的模态性能直接影响到整车的性能。车门的动态特性十分重要。一方面，车门作为一个独立的系统，具有自身固有的频率和振型；另一方面。车门作为车身子系统，其动态特性又影响着整车的nvh性能。车门的固有频率要尽量避免和整车激励频率及车身固有频率重合，如匹配不当，车门易产生振动。造成噪声、零部件疲劳破坏和整车nvh性能降低等问题。模态不仅是控制车门常规振动的关键指标，而且反映了车门的整体刚度性能。车门低阶弹性一阶固有频率应该避开车轮的不平衡激振、发动机的激振，其整体弯曲和扭转频率一般要求大于30hz，汽车是一个由激励源( 发动机、变速器等)、振动传递器(由悬架系统和连接件组成) 和噪声发射器(车身)组成的系统。汽车在行驶过程中的激励一般分为路面激励、车轮不平衡激励、发动机激励、传动轴激励。汽车在行驶过程中,车门会在发动机运转、路面不平以及高速行驶时的风力等振源激励下产生振动,如果这些振源的激励频率接近车门的固有频率,便会发生共振现象,产生剧烈的振动和噪声，极大的降低了车辆的乘坐舒适性，造成钣金件的振动开裂，零部件的疲劳损坏，车身表面保护层的破坏，削弱车身的抗腐蚀能力等。为提高汽车的nvh性能,必须对车门的固有频率进行分析,在理论模型中分别调整各设计变量，研究各变量对车门动态性能的影响，最终求得较理想的车门模态性能设计参数优化结果，通过结构设计与优化避开各种共振。为提高车门结构的nvh性能提供技术参考。汽车振动和噪声的产生并不是相互独立，而是紧密联系的。可以说，噪声源于振动，振动、噪声和舒适性这三者是密切相关的。既要减小振动、降低噪声，又要提高乘坐舒适性、保证产品的安全性、环保性以及使用性能。汽车模态性能的研究应该以整车作为研究对象，但由于汽车系统极为复杂，因此，经常将它分解成多个子系统进行研究，本课题以汽车车门系统作为研究对象。因此，本课题主要根据模态分析的基本原理，运用hypermesh及msc软件对x8后车门进行模型简化，前后处理等，对x8后车门进行模态分析，在理论模型基础上，最终分析并得出x8后车门及其相关零部件的模态参数。分析步骤如下：（1）使用3d绘图软件建立x8后车门的几何三维模型，将其导入到hypermesh软件中。（2）建立以零部件为单元的x8后车门的有限元分析网格文件。（3）对划分好网格的各单元进行焊接，焊接完后继续对网格进行优化。（4）将处理的车门网格文件使用hypermesh 软件对有限元分析文件进行，单元类型的选取，单元数量的控制，单元质量的检查，载荷的加载。（5）使用msc.nastran 软件分析命令对车门模型的各阶模态进行自由模态计算，确定模态参数，分析缺陷位置。（6）综合考虑整车激励频率及车门和白车身共振可能性，以车门模态参数为优化目标，使车门各阶固有频率值均较好地避开了整车激励频率和白车身固有频率，提出改进措施5。其大致流程如下简图所示：几何模型 hypermesh 抽中面 几何清理 划分网格 焊接 nastran求解 看结果 评价 改进措施 第二章 有限元法及hyperworks工具软件2.1有限元法的基本介绍有限单元法最早开始于20世纪40年代，它是一种高效又常用的计算方法。早期间它是以变分原理为基础发展起来的，所以它被广泛地应用于泊松方程和拉普拉斯所描述的各类物理场中。在一些计算中，某些学者通过流体力学应用加权余数法中的迦辽金法或最小二乘法等同样获得了有限元方程5，因而有限元法可以应用在通过任何微分方程所描述的不同物理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。基本思想是通过解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。2.2有限元法的基本原理有限元法的基本原理是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。这样的目的是使一个连续的无限自由度问题转变成离散的有限自由度问题8。有限元法已熟练地应用在求解线性和非线性问题上，同时还建立了各种有限元模型，如协调、不协调、杂交、混合、拟协调元等。由于有限元法的通用性强、有效性高、应用广泛等特点，已被许多大型或专用程序系统供工程设计使用。在辅助计算机设计技术时，有限元法的诸多优势也使它被考虑于计算机辅助制造中。 2.3有限元法应用的基本步骤有限单元法简单易懂，它的基本思想可以概括为“一分一和”，分是对单元进行分析，和则是对整体结构进行综合分析。它的具体操作可以分为以下几个步骤：（1）剖分:它是将待解区域进行分割，离散成有限个元素的集合元素也是单元。它的形状原则上是任意的在涉及多维问题中，二hyperlink /view/2943430.htm维问题可采用矩形单元或三角形单元，三维空间一般采用四面体或多面体等每个单元的顶点称为节点（或结点）。（2）单元分析:这一部分是进行分片插值，就是建立一个线性插值函数。它是将分割单元中的任意点的未知函数用该分割单元中的形状函数及离散网格点上的函数值进行展开6。（3）求解近似变分方程：它是把连续体离散成有限个单元，每个有限单元的场函数包含有限个待定节点参量的简单场函数，这些有限单元的场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。然后根据加权残量方程或能力方程可建立有限个待定参量的代数方程组，求解此离散方程组就能得有限元法的数值解。2.4 hyperworks软件的介绍hyperworks 是一个创新、开放的企业级cae平台7，它集成设计与分析所需各种工具，具有无比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。hyperworks包括以下模块：altair hypermesh、altair motionview、altair hypergraph、altair hyperform、altair hyperopt、altair optistruct、altair optistruct/fea及其基本线性静态、特征值分析模块。hyperworks软件具有如下的明显优势：（1）高性能建模方式和强后处理功能，缩短了设计时间； （2）cad几何模型和有限元模型直接导入，降低了模型开发成本；（3）直观的用户界面和同类型中的最佳性能，提高了产品效率；（4）高质量、高速度网格划分功能，简化了建模过程；（5）大量导入接口支持，提供使用最佳分析代码；（6）用户选择可多样。2.4.1 hypermesh的功能模块在hyperworks软件的各个模块中hypermesh模块功能又相当强大，在整个工作流程工作中起到至关重要的作用。它又可划分为以下几个部分（1）cad接口及几何模型整理 ；（2）模型创建和编辑 ；（3）强大的自动网格划分模块；（4）强大的后处理功能 ；（5）求解器接口。 2.4.2 hypermesh用户界面hypermesh的窗口界面包含五个主要区域：图形区(graphics area)、宏菜单(macro menu)、标题栏(header bar)、主菜单(main menu)和永久菜单(permanent menu)。此外还可以使用键盘上的功能键进入主菜单下的二级菜单。hypermesh的主界面如图2-1图 2-1 hypermesh用户界面2.5 hypermesh常规建模流程hypermesh常规建模的流程图如下图所示7：图 2-2 hypermesh常规建模流程图第三章 x8后车门有限元建模3.1后车门几何模型的建立和导入x8后车门结构相对复杂,由壳体,附件及内饰板组成,包括一些加强筋，还包括防撞杆.其中壳体的前面板与后面板通过包边连接到一起,通过焊接加固，另外车门内部的一些零件大多通过点焊连接，少部分部件通过螺栓链接，形成一个完整的车门，内板上还含有各种形状的冲孔，窝穴，使其更好的与其它部件协调搭配。本文研究x8后车门，通过cae软件对其进行处理。整个导入hypermesh的汽车车门如图3-1所示：图 3-1 导入hypermesh的汽车车门图具体操作过程如下所示：（1）启动hypermesh功能模块。（2）选中geom菜单。（3）选中工具栏的打开按钮。（4）依次点击面板上的import、geom、stp选项。（5）点击import按钮，浏览所要导入的模型文件，选择打开导入模型。（6）点击return返回。3.2几何清理几何清理的目的即是为后面的网格划分进行的更加顺利，所以在模型的简化过程中会遇到结构细节的处理问题，所谓“细节问题”不能根据大小一概而论，而是必须根据其对分析结构可能产生影响的大小来进行评价和取舍。因此，对于任何一个实体模型，首先要进行分析，分析完成后再开始实体模型的建立，这样可以避免多次的反复，提高建模的效率。几何清理的操作步骤11：（1）使用拓扑显示工具决定哪些部分需要几何清理；（2）使用equivalence工具尽可能一次合并尽量多的自由边；（3）使用toggle工具挨个处理剩余的自由边；（4）使用find duplicates工具检查重复曲面并删除；（5）使用filler surface工具创建缺失曲面；（6）在geom子菜单下进入的面板；（7）选中pinholes,点击黄色faces选项选择display，再点击右侧find按钮,若想保留，点击右键，否则点击delete；（8）选中surf fillets，点击黄色surf选项选择display，再点击右侧find按钮,若想保留，点击右键，否则点击remove；（9）选中edge fillets，点击黄色surf选项选择display，再点击右侧find按钮,若想保留，点击右键，否则点击remove，点击return按钮完成返回。几何清理前后如下图：图 3-2 几何清理前图图 3-3 几何清理后图3.3网格划分 网格质量直接影响计算结果的准确性和计算精度,因此网格划分对建立有限元模型尤其重要。在进行网格划分时,需要考虑单元数量、网格疏密、单元形状、位移协调性等综合因素。网格大小也很关键,网格太大影响计算精度,网格太小计算过于复杂,且刚度不够,容易变形,对于车门一般狭长部位采用5mm单元,其余部位采用10mm单元。另外,车门所采用的包边结构也对车门刚度影响很大,而且外板卷边尺寸小,不利于网格划分。通常采用节点合并法,只保留一层单元,单元的厚度属性则加载三倍厚度(两个外板厚度和一个内板厚度)。x8后车门的主要结构有:车门外板、车门内板、车门加强板、车门框、防撞杆、铰链加强板、门锁加强版等,分别对这些零部件进行网格划分8。网格划分的操作步骤：（1） 点击component=按钮，选择；（2） 点击右侧return按钮，将当前component collector设置为选择的对象，接下来创建的单元具有当前collector的性质，包括单元类型、材料特性和单元实常数特性；（3） 按下快捷键f12，弹出对话框；（4） 点击黄色surfs选项，选择display；（5）输入elem size=10,点击右侧mesh按钮，完成网格划分；（6）点击return按钮，确定网格划分并退出网格划分对话框。以下是车门一些车门零部件的有限元模型和车门总成有限元模型。划分好的汽车车门腹板的单元网格如图3-4。图 3-4 汽车车门腹板的单元网格防撞杆网格划分前后对比如下图3-5和3-6图 3-5 防撞杆划分网格前图 3-6 防撞杆划分网格后铰链固定板网格划分前后对比如下图：图 3-7 铰链固定板划分网格前图 3-8 铰链固定板划分网格后x8后车门内加强筋网格图如下图3-9所示：图 3-9 x8后车门加强筋网格划分图x8后车门整体网格划分如下图3-10所示：图 3-10 x8后车门整体网格划分3.4网格质量检查在网格质量检查之前要先设置网格合格的标准，进入设置面板的方法为9：2d面板 qualityindex面板 pg3 edit criteria，然后将edit criteria file中14的参数按下面截图结果如图3-11图3-11网格设置设置完成之后进行网格错误的检查，在此基础上进行网格的调整。图3-12为网格划分并处理好的x8后车门模型。图3-12网格质量检查3.5模型装配模型的装配涉及到不同部件之间的连接问题，一般的连接方式为点焊和螺栓连接，这些连接有各自的特点，在有限元软件中的模拟方式也各不相同10.车门的装配以焊接为主，如何准确的模拟焊接显得尤为重要，在静态分析中，焊接的不正确模拟会导致应力集中，使得错过应力真正过大的区域10。图3-13为点焊，主要用于小零部件及非主要承载部件的连接。在有限元模型中，考虑到实际的焊接工艺要求，在建立焊点单元时，应尽量使建立焊点单元的两个节点位置比较接近，必要时需要调整单元节点的位置保证焊点的距离，除此之外还应尽量保持焊接单元垂直于节点所在的平面，这样可以使其最大程度地和实际焊接点的刚度、强度相一致11。图 3-13 点焊（刚性连接）模型装配中的包边连接如下图：图3-14 包边处理3.6定义材料属性车门材料主要参数如表3-1所示：表 3-1 材料主要参数表名称材料弹性模量(gpa)泊松比密度kg/mm3车门stel2100.37.910-6在hypermesh中，材料属性存储在mats collectors中，材料属性建立的步骤为12：（1） 选择collectors工具条按钮；（2）在面板左边选择create子面板；（3） 点击collector type开关并从弹出菜单中选择materials；（4） 点击name=并输入steel；（5） 点击card image=并从弹出菜单中选择mat1，；选择mat1时将有三个附加项显示；（6） 点击creat/edit,弹出mat1的卡片信息；（7） 对选项e输入2.1e+05，对nu输入0.3，对rho输入7.9e-09；（8）点击return按钮。3.7建立组件集在hypermesh中，零件的单元存储在component collectors中。在划分零件的单元之前，应该建立相应的component collector以存储该零件的单元。具体步骤为13：（1）点击collector type开关并从弹出菜单中选择components;（2）点击name=并输入shells；（3）点击card image=并从弹出菜单中选择pshell；（4）点击material=并选择steel；（5）点击color并选择一种颜色； （6）点击creat/edit,弹出pshell的卡片属性card image；（7）输入厚度值；（8）点击return按钮。3.8用 nastran求解器进行求解在几何清理和划分网格、焊接、包边处理完以后，接着就是对模型求解，将处理完全的hm文件另存为dat文件，然后将保存好的dat文件导入nastran中求解，得到最主要的res、op2、pch文件14。第四章x8后车门的模态性能分析4.1模态性能分析理论基础在有限元分析程序中，振动方程表示为： 4-1该方程可作为特征值问题，对无阻尼情况，方程可简化为： 4-2其中，2(固有频率的二次方)表示特征值；表示特征向量，在振动的物理过程中表示振型，指示各个位置在不同方向振动幅值之间的比例关系，它不随时间变化。对有阻尼情况，振动方程可转化为 15: 4-3以上各式中，m为结构的质量矩阵;c为结构的阻尼矩阵;k为结构的刚度矩阵;为结构的位移列阵;为结构的速度列阵;为结构的加速度列阵。 模态分析就是求解振动方程的特征值即特征方程的根以i (i=1，2，n)，进而求得结构的固有频率似(i=1,2,，n)和位移列阵即结构的振型。振动方程的特征方程可表达为： 4-4上式即为无阻尼振动系统的特征方程。若质量矩阵和刚度矩阵是实对称正定矩阵，则求得的特征值数量与矩阵的阶次n相等，即有。求解特征值问题的方法很多，如矩阵迭代法、雅可比法、ql法、qr法等等15。固有频率和振型向量是表示振动系统特征的重要物理量，是进行车架动态机构设计必不可少的参数。对于车架这样多自由度的大型系统，求出其全部固有频率和振型向量是非常困难的。系统较低的若干阶固有频率及其相应的振型向量对其动态响应的贡献最大，故在研究系统的响应时往往只需要了解少数的固有频率和振型向量。4.2 模态分析的边界选择在对x8后车门模型进行模态分析的过程中，因为求解的是后背门结构本身的固有特性，与后车门所受外部载荷没有关系，所以可以忽略外部载荷的作用。针对后背门结构的动态特性来说，如果采用实际的边界条件支撑来进行有限元模态分析，毫无疑问会更加精确的得到后背门工作过程中的动态性能，但由于在实际工作过程中边界条件非常复杂，而且，如果添加过大刚度的实际边界条件，会在有限元分析的过程之中造成刚度矩阵的“病态”19，反而会影响到计算结果的精度。因此，采用实际的边界支撑条件进行有限元分析是很难实现的。另外，从理论上来讲，采用自由边界支撑条件时计算得到的模态参数能够通过数学建模的方法来转化得到任意边界约束条件下的特性；反之，在指定的边界条件下所得到的计算结果则无法通过数学建模的方法转化为其它边界约束条件下的特性。综合考虑以上几种原因，本文中 x8后车门的有限元模态分析过程中采用自由边界支撑。 4.3自由边界下的模态分析自由模态分析的边界条件，即不添加任何约束。自由模态分析可以大致获得结构固有的动态特性如固有频率、振型等，对于后续的动态响应分析也有重要的指导作用。从理论上讲，自由边界条件下所计算得到的模态参数可以通过数学建模的方法计算得到任意边界约束条件下的特性，但在指定边界条件下取得的计算结果却不能转化为其它边界约束条件下的动态特性。还有就是自由模态分析可以实现理论计算与试验分析的对比，验证有限元模型的精度，为有限元模型的进一步修正提供有借鉴意义的参考，进而在修正的模型之上进一步进行结构优化设计和动态响应分析164.3.1模态分析流程本文中分析计算采用自由模态分析的方案，将 hypermesh中所建立的后车门有限元模型导入到 nastran中进行计算。分析得到了后车门结构的前9 阶自由模态（固有频率与振型），并在 hypermesh 的后处理器中查看输出的结果17。 图 4-1 模态分析流程图4.3.2模态分析的作用模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态分析的最终目标在于识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据18。对x8后车门进行模态分析可以达到如下目的：(1)可以预测其动态特性，对不合理处进行结构修改，提高产品的动态性能；(2)了解系统的模态频率和振型，判断各连接件是否己组合为整体模型；(3)可以判断各构件对系统刚度的贡献，判断结构上的薄弱环节；(4)通过振型研究还可以为试验模态响应点与激励点的布置提供参考；(5)通过计算得到的模态参数与试验模态作对比判断有限元模型的合理性；(6)模态分析的结果可作为系统进行进一步动力学分析的基础19。本文分析了x8后车门的3阶的典型振型情况，如图：图 4-1 1阶模态频率振动图图 4-2 2阶模态频率振动图图 4-3 3阶模态频率振动图各阶模态对应的频率如下表所示表 4-1 各阶模态对应频率阶数123频率59.772.880.6从前3阶模态频率振动图可以看出车门的振动主要集中在车窗及内外板，车窗的振动容易产生大的噪音，对汽车乘坐的舒适度有较大影响，车门内外板的振动对于行车安全有影响。车门低阶模态不仅是控制车门常规振动的关键指标，而且反映了车门的整体刚度性能19。车门作为车身和整车的部件其固有频率应尽量避免和整车激励以及车身的固有频率重合防止共振，汽车的激励主要有路面激励、车轮激励发动机激励和传动轴激励等。一般车门的一阶频率应首先避开车身的振动频率其次要错开分量较大的激励频率。总结 本文在深入学习一些cae软件和catia软件之下，通过同学间的交流初步掌握了车门基本情况以及软件的操作后，利用三维操作软件进行几何建模以及利用大型前后处理软件hypermesh对建好的模型就行静力分析，并对结果进行分析，深刻的认识到了用hypermesh进行有限元静力分析的基本思想以及过程，主要研究成果包括以下几个方面：（1）较全面的了解了catia软件的主要功能与其建模优点，以及在导出二维图纸的方便之处。（2）详细阐述了hypermesh的有限元建模步骤。运用其对汽车车门建立有限元模型，充分体会到了在建模过程中网格质量对后续分析的重要性。（3）运用hypermesh汽车车门进行静力分析，并得出相应的结果。分析其结果对车门的结构设计是否合理。（4）运用hypermesh汽车车门的模态分析，分析了车门在9阶模态下的响应，为车门尺寸优化提供依据。 参考文献1 宝生，李杰，林明芳汽车优化设计理论与方法d北京：机械工业出版社，2000.