车身接附点动刚度的研究.doc

车身接附点动刚度的研究邹途祥1,2张军1,2贾文宇1,2高冠群1,2(1长安汽车工程研究总院，重庆，401120；2汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆，401120)摘要：本文从理论上对车身接附点动刚度进行推导分析，同时结合了波在固体中的传播理论，得到车身接附点动刚度的影响因素，为提升车身接附点动刚度指明了优化方向。同时，本文利用LMS Virtual.lab软件对后悬置接附点动刚度进行分析，并通过结构优化，提升了后悬置接附点动刚度，满足了NVH性能目标。关键词：接附点动刚度、弯曲波、LMS Virtual.lab 、The Study on the Attachment Dynamic Stiffness in Vehicle Bodyzoutuxiang1,2, zhangjun1,2, jiaweny1,2, gaoguanqun1,2(1 Changan Auto Global R&D Center, Chongqing ,401120)2. State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology , Chongqing ,401120）Abstract：In this paper, the theoretical analysis of the Attachment Dynamic Stiffness is introduced in Vehicle Body. Also, the transmission of the bending wave in solid structures is presented. The affecting factors of Attachment Dynamic Stiffness are advised; and offering one way for optimization of the stiffness attached to avehicle body and chassis. At the same time, the Attachment Dynamic Stiffness of Rear mount was analyzed with LMS Virtual.lab and the optimization of the rear structure is advised . The required NVH target to attain the optimal attachment stiffness in vehicle body is got. Key words: Attachment Dynamic Stiffness; bending wave; LMS Virtual.lab; 1 前言 车辆在怠速或行驶过程中由于车身面板振动引起的室内空腔轰鸣噪声对乘坐舒适性有很大影响。而通过发动机、悬架等与车身的连接点传递至车身的振动是引起车身面板振动的主要原因。连接点动刚度是室内怠速噪声与路面噪声的重要影响因素1。研究表明2，反映连接点动刚度特性的原点导纳对室内声压响应起主导作用，虽然车身内饰和室内空腔也影响室内声压，但若导纳特性差则很难通过后期其他的优化方法来达到提升整车NVH能的目的。因此车身各个安装点的动刚度对车内振动和噪声有着巨大的影响,对动刚度进行分析和优化具有十分重要的工程意义。高的接附点动刚度提升了安装点动刚度和安装点隔振衬套的刚度比，同时增加了安装点对发动机、路面激励的隔振作用3。文献4建立了评价动态特性的速度频率响应函数,利用Point Mobility方法对算例进行了模拟计算;文献3阐述了车身安装点动刚度的研究方法,其中包含了模拟计算与试验的对比。目前对接附点动刚度的研究主要集中在，通过增加零件厚度和加强件等方式的大量模拟分析来达到设计目标值；而没有从理论上系统的对接附点动刚度的影响因素进行阐述，为接附点动刚度的提升找到合理的解决思路。本文从振动理论上推导出接附点动刚度的理论表达式，从推导结果中分析了接附点动刚度的影响因素；并结合了波在固体中的传播理论和工程实际经验对接附点动刚度的影响范围进行进一步的阐述，提出了接附点动刚度优化的方向。同时，本文利用LMS Virtual.lab软件对后悬置接附点动刚度进行分析，并通过结构优化，提升了后悬置接附点动刚度，满足了NVH性能目标，为整车NVH打下了坚实的基础。2车身主要接附点位置发动机的振动、轮胎的动不平衡和路面的不平所产生的振动、排气系统的振动等一切振源的振动，最终都是通过动力系统、悬架系统、进排气系统和车身的连接点，把振动的能量传入车身的，最终车身的振动转换为人感觉得到的振动和噪声。因此车身和各个振动源的接附点的动态特性非常重要。 车身主要接附点有：发动机悬置安装点、悬架系统安装点、排气系统安装点等，其位置如图1所示。本文将以提升后悬置接附点动刚度为工程实例，对如何优化接附点动刚度提供解决思路。1左悬置安装点7第2个吊耳安装点2后悬置安装点8第3个吊耳安装点3右悬置安装点9左后阻尼器安装点4左前悬架安装点10右后阻尼器安装点5右前悬架安装点11左后弹簧安装点6第1个吊耳安装点12右后弹簧安装点 图1车身主要接附点安装位置3 车身接附点动刚度的理论分析首先引入N自由度系统的模态方程为：5. 1， 其中M、C、K、F和X分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、力向量和响应向量，并且物理坐标的方程一般为耦合方程。通过对方程1进行拉氏变换，并令 得到以下结果： . . 2由于各点的响应为各阶模态响应的线性组合则： .3其中 为模态矩阵，为模态坐标， 为第r阶模态向量。把3式带入2得到. 4通过对方程4的解偶（在模态坐标下）得到以下方程 . 5其中 、 、 、分别为：主刚度矩阵，主质量矩阵，主阻尼矩阵。 对于模态矩阵5进行展开可以求得第r阶模态对应的解为： . 6通过把模态坐标转换为物理坐标，可以得到物理坐标测点L的响应为:. 7 下面通过对单点激励的频响函数来引入原点动刚度的理论依据：假设对单点P进行激励,对单点L点进行响应分析。激励力F的表达式为： . 8将8式代入6得到对应激励点p的第r阶模态的对应解为： . . 9通过将9式代入方程7中得到：. . 10通过10式，从而可以得到响应点L与输入点P之间的频响函数为：. 11 当响应点L与输入点P为同一点时，方程11就变为原点的频响函数（也即为原点动刚度的倒数）：. 12 从上面对车身接附点动刚度的理论推导中可以发现，原点的频响函数(即原点动刚度) 包括了原点在内的所有局部、半全局、全局在内的全部结构响应。因此原点动刚度和整个车身的物理结构特性都有关，同时和需要关注的接附点的位置也有很大的关系，它是车身性能的一个缩影；而并非仅仅只和接附点原点的结构有关。如果某点的原点动刚度不满足要求，必须从整体上把握，分析这点是在哪个频率段不满足目标要求，这时才能更合理的解决问题，而不是一味的对安装接附点进行加强。因此、为了提升原点动刚度必须首先考虑原点输入的信号动态特性和接附点的动态特性，然后有重点的针对车身局部和半全局、全局进行处理，从而很好的解决车身NVH问题。4 波在固体中的传播理论 声波在固体中的传播形式有压缩波、剪切波、扭转波、弯曲波等形式，声波在空气中的传播形式只有压缩波。空气中的压缩波的辐射传递主要是通过固体中的弯曲波在固气交接面上的激发而产生。从下面图2中可以很好的理解钣金的声辐射的主要贡献原为固体中传播的弯曲波。同时波在固体中的传播特性和优化接附点动刚度密切相关，不同频率的波对应不同的波长，对应结构的修改方向不同。图2 固体中弯曲波的声辐射模型 从波的理论上可以得到，如果需要改变某个频率附件的接附点动刚度，则需要改变该频率对应的四分之一波长长度的结构。因此可以通过固体波的波长和频率关系来定性判断，在多大范围内修改车身结构，能够达到改善多少频率范围内的动刚度数值的办法。假设杆为无限长，可以得到弯曲波在无限长杆中的传播速度和对应的波长与频率的关系6：. 12其中为弯曲波波长，f为频率，E为弹性模量，密度，I为惯性矩，A为横截面面积。根据轿车通用设计材料和截面，可以得到相关参数的取值范围为E=2.0x1011Nm-2，=7.8x103kgm-3，I/A的数值由于车身设计的截面不同，取值范围较大，这里取一个常用截面的数值为3.0 x10-3m2。通过将相关参数带入方程12，可以得到弯曲波四分之一波长和频率的关系图（如图3）。图3 固体中传播的弯曲波四分之一波长和频率的关系图 通过对接附点动刚度的理论和波在固体中的传播理论分析可以得到，接附点的动刚度是一个全局性的问题，不光是局部节点的问题。从上面对弯曲波在固体中的传播波长和频率的关系，并结合实际整车开发中的经验可以得到以下定性的结果：1. 050Hz内接附点动刚度不满足目标要求，需要对整车的全局结构进行修改。2. 50100Hz内接附点动刚度不满足目标要求，需要对整车的半全局结构进行修改。3. 100200Hz内接附点动刚度不满足目标要求，需要对接附点所在的零部件的全局结构进行修改。4. 200Hz以上内接附点动刚度不满足目标要求，需要对接附点所在的零部件的局部结构进行修改。 下图4为整车的全局结构、整车的半全局结构、接附点所在的零部件的全局结构、接附点所在的零部件的局部结构的示意图，为后期结构优化提供指导。图4 整车结构范围分区5 应用实例 悬置安装点接附点动刚度的高低对衰减发动机的振动具有重要的意义，本文通过对后悬置接附点动刚度进行分析，发现其动刚度的薄弱频率范围；并对后悬置接附点动刚度进行优化，提出了后悬置接附点动刚度的提升方案，使得后悬置接附点动刚度满足了NVH目标要求。5.1 优化前的后悬置接附点的结构及动刚度分析结果： 下图5为优化前的后悬置接附点动刚度的局部结构图，图5中1为悬置，图5中2为悬置安装板，悬置安装板的厚度为2mm，悬置和悬置安装板通过M12的螺栓连接。通过对后悬置接附点动刚度的模拟分析，得到分析结果如6图所示。 图5 优化前的后悬置安装的结构图 图6 优化前的后悬置安装点的动刚度曲线 从接附点动刚度的分析结果中可以发现，后悬置接附点动刚度在X、Y、Z三个方向都不满足目标要求，特别是Y向在200Hz附件出现一个大峰值，对整个车身的NVH性能都非常不利，因此需要对后悬置接附点动刚度进行优化。5.2 优化后的后悬置接附点的结构及动刚度分析结果。 结合前面的理论分析及工程经验，可以大体确定后悬置的接附点动刚度主要和安装后悬置的零部件局部结构关系较大，因此提出了后悬置接附点动刚度的优化方案，如图7所示。下图7为优化后的后悬置接附点动刚度的局部结构图，在原有结构的基础上，增加了厚为1.2mm的红色加强件、厚为1.0mm的桔黄色加强件及两个绿色螺母管直径为20mm、高为80mm。通过对后悬置接附点动刚度的模拟分析，得到分析前后的对比结果如图8所示。 图7 优化后的后悬置安装的结构图 化后的后悬置安装点X方向的动刚度曲线 图8 优化后的后悬置Y方向的动刚度曲线 图8 优化后的后悬置Z方向的动刚度曲线 通过对后悬置接附点动刚度的优化分析曲线对比，可以得到，优化后的后悬置接附点动刚度X向、Y向、Z向完全优于优化前的结果，且 Y向的200Hz附近的峰值消失，这样的优化结果完全满足NVH目标要求。6、总结 本文从理论上推导出接附点动刚度的理论计算公式，并结合了波在固体中传播的理论，提出了接附点动刚度的影响因素，为提升接附点动刚度指明了方向，主要结论如下：1、通过接附点动刚度的理论分析，原点动刚度 包括了原点在内的所有局部、半全局、全局在内的全部结构响应。2、为了提升某点的原点动刚度，首先必须考虑该点输入的信号动态特性和接附点的动态特性，分析该点是在哪个频率段不满足目标要求，从而才能更有针对的解决问题。 3、通过对波在固体中的传播理论，并结合以往开发经验可以得到以下建议：n 050Hz内接附点动刚度不满足目标要求，需要对整车的全局结构进行修改。n 50100Hz内接附点动刚度不满足目标要求，需要对整车的半全局结构进行修改。n 100200Hz内接附点动刚度不满足目标要求，需要对接附点所在的零部件的全局结构进行修改。n 200Hz以上内接附点动刚度不满足目标要求，需要对接附点所在的零部件的局部结构进行修改。参考文献1 Cogswell James A. 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