汽车车门模态分析(初学者)

1、汽车模态分析1 前言 模态是振动系统特性的一种表征，它构成了各种车身结构复杂振动的最基本的振动形态。为了在汽车使用中避免共振、降低噪声，需要知道结构振动的固有频率及其相应的振型。模态分析的最终目标是为了得到模态参数，为结构系统的动力特性分析、故障诊断和预报以及结构的动力特性的优化设计提供依据。 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。路面激励一般由道路条件决定，目前在高速公路和一般城市较好路面上，此激励频率多出现在1-3Hz，一般对低频振动影响较大；因车轮不平衡引起的激励频率一般低于11Hz，随着现在轮辋制造质量及检测水平的提高，此激励分量较小，易于避免

2、；发动机引起的激励频率一般在23Hz以上，此激励分量较大；城市中一般车速控制在5080Km/h，高速公路上一般车速控制在 80120 Km/h，传动轴的不平衡引起的振动的频率范围在40Hz以上，此激励分量较小。由这些外界激振源会引起车门产生共振，带来噪音，极大的降低了车辆的乘坐舒适性，造成扳件的抖动开裂，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。 因此，为提高汽车产品的开发设计水平，达到优化设计的目标，需要对汽车车门进行模态分析，通过有限元计算来得到该结构在不同频率下的振型，避免因共振等原因引起的结构破坏。 2 车门有限元模型 2.1 几何特性 轿车车门一般由门外板、门内

3、板、门窗框、门玻璃导槽、门铰链、门锁以及门窗附件等组成。内门板上有玻璃升降器、门锁附件等。内板由薄钢板冲压而成，其上分布有窝穴、空洞、加强筋，内板内侧焊有内板加强板。为了增强安全性，外板内侧一般通过防撞杆支撑架安装了防撞杆，窗框下装有加强板。内板与外板通过翻边、粘合、滚焊等方式结合。 2.2 有限元模型的建立 根据车门的几何模型划分网格，建立有限元模型如图1所示。 图1 车门有限元模型 （1）由于车门的主体结构以板材为主，所以在分析中主要采用板壳单元pshell来模拟，为了更真实的模拟车门铰链的连接状态，铰链采用三维单元psolid来模拟。 （2）网格的划分按照白车身网格划分标准执行，每个单元

4、的边长、翘曲度和扭曲度都控制在合理范围内，网格大小为10mm，单元数量为28753，节点数量为28022，其中三角形单元数量为780。 （3）材料和厚度的定义 根据车身明细表输入厚度，材料参数，在模态计算中，一般只需要定义材料的杨氏模量，泊松比和密度。 （4）车门各部件间通过焊接，刚性连接等方式进行连接，按照实际情况布置焊点位置。 （5）车门的模态分析包括自由模态和工作模态两种情况。分析自由模态时，不需要对模型进行约束，计算车门在自由状态下的模态。分析工作模态时，根据车门的实际工作状态，分别在铰链和门锁处进行约束，如图2所示。 图2 车门工作模态约束示意图 3 有限元计算、分析与评价 3.1

5、计算结果 将已经完成前处理的有限元模型导入到MSC Nastran中，计算得到其前二十阶的模态值。观察后处理的动画，了解车门的整体扭转、弯曲振型以及局部扭转、弯振型，以此获得结构的固有频率。通过计算得到如下结果： 图3 车门自由模态第一阶振型图4 车门工作模态第一阶振型表1 车门前四阶自由模态参数表2 车门前四阶工作模态参数3.2 车门低阶弹性 车门低阶弹性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。根据以上表格，从振型上看：在前四阶模态中包含了整体振型，如整体扭转，整体弯曲等，也出现了局部振型，如内板局部模态，窗框局部模态等。从频率值上看：该车门模态值较高，整体刚度较高。其中自由模态的一阶弯曲频率值为 41.1Hz，工作模态的一阶弯曲频率值为44.5Hz。基于目前对汽车车门模态值的评价尚无统一的指标，按照一般性说法，车门的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，因此从有限元分析结果看来，该车门的模态性能是符合要求的。 4 结论 本文结合某轿车车门作为实例，采用有限元分析的方法，基于MSC.Nastran软件对该车门的模态进行了计算，并对结果作了评价，从总体来看，该车门的模态性能较好。 此外，在进行有限元分析的同时还可以做相关的模态试验，将仿真分析与实验相结合，以验证有限元分析结果的准确性，并以此为基