某SUV白车身模态分析及优化设计

王宏宇

摘 要：文章介绍了某SUV车型的白车身模态分析，并针对计算结果对车身结构和布局进行优化，使整车刚度趋于合理。优化结果显示：优化后结构、刚度更加合理，并且一阶扭转提高了4HZ，车身重量减少1.5KG。

关键词：模态分析；结构优化；有限元分析

前言

现代汽车设计领域，有限元分析得到了广泛的运用。车身作为汽车的关键总成，其力学特征对整车的动力学特征起关键作用。车身模态分析则关系到整车刚度、常规震动和车身减重。实践证明对白车身结构进行有限元分析可以提前发现、避免相关的设计缺陷，及时整改、优化设计。从而缩短开发周期，节约试验费用。

文章通过对白车身的模态分析对设计进行结构优化，使得车身结构局部模态和整体刚度特征满足模态规划要求。

1 有限元模型

有限元分析基本是利用一组离散化单元组集代替连续体机构进行分析，这种单元组集体称结构力学模型。车身模型建立原则为能反映车身主要力学结构特征和边界约束条件，其次可考虑在保证正确性的基础上对模型进行适当的简化。模型建立过程需考虑：模型的简化、网络划分、材料属性确定、单元选择及模型的连接与装配。为此对模型建立进行了如下处理：

1.1 模型建立采用了基准尺寸为10mm的QUASD4划分SHELL单元，局部采用了大于3mm的小尺寸划分，在非关键区域几何过度区少量采用了TRIA3单元。TRIA3单元占总数的比率小于5%。

1.2 孔径6mm～10mm，用方孔代替；孔径大于10mm，保留孔，孔周围两圈偶数个单元，其他非重要小孔可忽略。

1.3 翻边至少要划分两排网格，圆角大于3mm可以保留，螺栓用RIGID或梁连接。

1.4 焊点采用CWELD/ACM单元，方向同连接壳单元法向量平行。焊缝则采用CQUAD4和CTRIA3模拟，对不考察局部应力的情况下，有选择性采用节点重合，并保证网络的几何匹配。

根据车身提供的数字模型，最终白车身带玻璃有限元模型单元547，219，节点569，580个，见图1。其中材料选择见表1。

表1 材料属性

2 模态分析

由于汽车上各个系统的相互关联，模态规划就是界定各个系统频率范围的过程，防止产生共振并提高整车的刚度。车身作为人的载体，直接同人的感受相联系，同时白车身的模态对车身的贡献达到了60%以上，对白车身的模态分析则显得至关重要。

汽车行驶时要承受各种外界和内部的激励源的激励，图2为激振传递图。

四缸机750转左右怠速下激振主频率在25Hz和50Hz。额定功率行驶时5500*2/60=183 Hz。正常行驶时发动机的激振频率源大于通常的整车模态，但怠速时激振频率和白车身的低频非常接近，怠速时容易引起车身共振[1]。

悬架的簧下质量为簧上的1/5～1/10，轮胎刚度是悬架弹簧的5～10倍，所以簧下质量的固有频率比簧上要高5～10倍，bounce和pitch这两个频率一般控制在1Hz～2Hz， bounce比pitch要低1.2倍左右，这样与步行时的频率差不多，人体感觉在舒适范围。轮胎不平衡引起的激励，主要在11Hz以下。该激振较小，容易避免。

根据相关文献，汽车在正常路面以低于车速在150km/h速度行驶时，路面的激励频率低于21Hz，所以汽车车身的固有频率需高于21Hz，最好不低于25Hz的激振频率[2]。传动轴引起的激励一般在40Hz以上，分量较小，对白车身的影响较小。方向盘一阶模态在80Hz左右，纵向和横向在35Hz左右。排气系统一阶垂向和横向在24Hz左右。避免车厢空腔的低频需避开第一阶空腔共鸣频率，该类型车型带座椅的一阶频率一般在50～70Hz。车身壁板的结构模态则要避免与车厢的声学模态耦合。

汽车的振动是各阶模态振动的综合表现。前几阶的整体模态起主要作用。从上述分析可以得出，主要的激励来自路面对车轮的冲击和发动机的振动。在设计汽车时，车身的固有频率应有效避免相关的激振频率，提高整车的舒适性及疲劳寿命。通常，Trimmed Body模态相对白车身模态下降5～10Hz。承载式车身的弯曲刚度一般高于扭转刚度，要求之间能分开3Hz以上。

表2 模态分析结果

为避免相连系统出现共振，整车制定了车型频率规划。对白车身确定了如下标准：局部模态要求大于40Hz，第一阶扭转要求大于30Hz，第一阶弯曲要求大于40Hz。通过计算和分析发现第一阶扭转小于30Hz，不满足设计要求。同时D柱下加强板有优化空间，后背门上部局部模态不够理想，因此在结构整改中，对相关的零件进行了结构优化。

3 模态优化措施

模态改进则本质是增加其自身刚度，改变其固有频率分布，使质量分布更合理。

本次改进主要采用的方法为：

（1）重要接头处加强焊接及合理设置加强筋，提高整体刚度。

（2）提升灵敏度较高的零件料厚，对灵敏度较低的零件采用降低料厚、挖孔或取消这类零件。重要接头处加强焊接及合理设置加强筋，提高整体刚度。

（3）优化传力路线，减少应力集中，改善应力分布。

除上述方法外，模态改进还可采用涂覆隔振板，激光拼焊，采用超轻钢、铝、塑料等材料等。表3为根据模态分析结果对结构优化后结果。

通过模态分析的应力应变分布图，发现D柱下加强板的刚度贡献值较小，而该件重量却很大，考虑质量分布和刚度的关系，决定取消该件，将减少的重量应用到刚度贡献更大的零件上。对上接头应力集中处优化了传力路径，模态提高了1.27Hz。另外，对上接头局部、轮罩撑板、小隔板处利用较小质量的加强板进行了局部加强。

根据零件的料厚灵敏度有针对性增加了灵敏度0.45以上的相应零件的料厚，表4，表5，以达到改善模态的效果。

表4 高灵敏度零件

表5 结构优化对质量和频率影响结果

4 结语

文章以某SUV改进项目为例，通过建立整车结构有限元模型，帮助在改进设计过程中找出对整车模态影响的关键零部件及相应模态灵敏度，并对灵敏度较高的零件进行了改进优化。优化后白车身质量减少了1.5KG，一阶扭转提高了4HZ，满足了项目对白车身模态的改进目标。

参考文献

[1]傅志方，华宏星，模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.

摘 要：文章介绍了某SUV车型的白车身模态分析，并针对计算结果对车身结构和布局进行优化，使整车刚度趋于合理。优化结果显示：优化后结构、刚度更加合理，并且一阶扭转提高了4HZ，车身重量减少1.5KG。

关键词：模态分析；结构优化；有限元分析

前言

现代汽车设计领域，有限元分析得到了广泛的运用。车身作为汽车的关键总成，其力学特征对整车的动力学特征起关键作用。车身模态分析则关系到整车刚度、常规震动和车身减重。实践证明对白车身结构进行有限元分析可以提前发现、避免相关的设计缺陷，及时整改、优化设计。从而缩短开发周期，节约试验费用。

文章通过对白车身的模态分析对设计进行结构优化，使得车身结构局部模态和整体刚度特征满足模态规划要求。

1 有限元模型

有限元分析基本是利用一组离散化单元组集代替连续体机构进行分析，这种单元组集体称结构力学模型。车身模型建立原则为能反映车身主要力学结构特征和边界约束条件，其次可考虑在保证正确性的基础上对模型进行适当的简化。模型建立过程需考虑：模型的简化、网络划分、材料属性确定、单元选择及模型的连接与装配。为此对模型建立进行了如下处理：

1.1 模型建立采用了基准尺寸为10mm的QUASD4划分SHELL单元，局部采用了大于3mm的小尺寸划分，在非关键区域几何过度区少量采用了TRIA3单元。TRIA3单元占总数的比率小于5%。

1.2 孔径6mm～10mm，用方孔代替；孔径大于10mm，保留孔，孔周围两圈偶数个单元，其他非重要小孔可忽略。

1.3 翻边至少要划分两排网格，圆角大于3mm可以保留，螺栓用RIGID或梁连接。

1.4 焊点采用CWELD/ACM单元，方向同连接壳单元法向量平行。焊缝则采用CQUAD4和CTRIA3模拟，对不考察局部应力的情况下，有选择性采用节点重合，并保证网络的几何匹配。

根据车身提供的数字模型，最终白车身带玻璃有限元模型单元547，219，节点569，580个，见图1。其中材料选择见表1。

表1 材料属性

2 模态分析

由于汽车上各个系统的相互关联，模态规划就是界定各个系统频率范围的过程，防止产生共振并提高整车的刚度。车身作为人的载体，直接同人的感受相联系，同时白车身的模态对车身的贡献达到了60%以上，对白车身的模态分析则显得至关重要。

汽车行驶时要承受各种外界和内部的激励源的激励，图2为激振传递图。

四缸机750转左右怠速下激振主频率在25Hz和50Hz。额定功率行驶时5500*2/60=183 Hz。正常行驶时发动机的激振频率源大于通常的整车模态，但怠速时激振频率和白车身的低频非常接近，怠速时容易引起车身共振[1]。

悬架的簧下质量为簧上的1/5～1/10，轮胎刚度是悬架弹簧的5～10倍，所以簧下质量的固有频率比簧上要高5～10倍，bounce和pitch这两个频率一般控制在1Hz～2Hz， bounce比pitch要低1.2倍左右，这样与步行时的频率差不多，人体感觉在舒适范围。轮胎不平衡引起的激励，主要在11Hz以下。该激振较小，容易避免。

根据相关文献，汽车在正常路面以低于车速在150km/h速度行驶时，路面的激励频率低于21Hz，所以汽车车身的固有频率需高于21Hz，最好不低于25Hz的激振频率[2]。传动轴引起的激励一般在40Hz以上，分量较小，对白车身的影响较小。方向盘一阶模态在80Hz左右，纵向和横向在35Hz左右。排气系统一阶垂向和横向在24Hz左右。避免车厢空腔的低频需避开第一阶空腔共鸣频率，该类型车型带座椅的一阶频率一般在50～70Hz。车身壁板的结构模态则要避免与车厢的声学模态耦合。

汽车的振动是各阶模态振动的综合表现。前几阶的整体模态起主要作用。从上述分析可以得出，主要的激励来自路面对车轮的冲击和发动机的振动。在设计汽车时，车身的固有频率应有效避免相关的激振频率，提高整车的舒适性及疲劳寿命。通常，Trimmed Body模态相对白车身模态下降5～10Hz。承载式车身的弯曲刚度一般高于扭转刚度，要求之间能分开3Hz以上。

表2 模态分析结果

为避免相连系统出现共振，整车制定了车型频率规划。对白车身确定了如下标准：局部模态要求大于40Hz，第一阶扭转要求大于30Hz，第一阶弯曲要求大于40Hz。通过计算和分析发现第一阶扭转小于30Hz，不满足设计要求。同时D柱下加强板有优化空间，后背门上部局部模态不够理想，因此在结构整改中，对相关的零件进行了结构优化。

3 模态优化措施

模态改进则本质是增加其自身刚度，改变其固有频率分布，使质量分布更合理。

本次改进主要采用的方法为：

（1）重要接头处加强焊接及合理设置加强筋，提高整体刚度。

（2）提升灵敏度较高的零件料厚，对灵敏度较低的零件采用降低料厚、挖孔或取消这类零件。重要接头处加强焊接及合理设置加强筋，提高整体刚度。

（3）优化传力路线，减少应力集中，改善应力分布。

除上述方法外，模态改进还可采用涂覆隔振板，激光拼焊，采用超轻钢、铝、塑料等材料等。表3为根据模态分析结果对结构优化后结果。

通过模态分析的应力应变分布图，发现D柱下加强板的刚度贡献值较小，而该件重量却很大，考虑质量分布和刚度的关系，决定取消该件，将减少的重量应用到刚度贡献更大的零件上。对上接头应力集中处优化了传力路径，模态提高了1.27Hz。另外，对上接头局部、轮罩撑板、小隔板处利用较小质量的加强板进行了局部加强。

根据零件的料厚灵敏度有针对性增加了灵敏度0.45以上的相应零件的料厚，表4，表5，以达到改善模态的效果。

表4 高灵敏度零件

表5 结构优化对质量和频率影响结果

4 结语

文章以某SUV改进项目为例，通过建立整车结构有限元模型，帮助在改进设计过程中找出对整车模态影响的关键零部件及相应模态灵敏度，并对灵敏度较高的零件进行了改进优化。优化后白车身质量减少了1.5KG，一阶扭转提高了4HZ，满足了项目对白车身模态的改进目标。

参考文献

[1]傅志方，华宏星，模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.

摘 要：文章介绍了某SUV车型的白车身模态分析，并针对计算结果对车身结构和布局进行优化，使整车刚度趋于合理。优化结果显示：优化后结构、刚度更加合理，并且一阶扭转提高了4HZ，车身重量减少1.5KG。

关键词：模态分析；结构优化；有限元分析

前言

现代汽车设计领域，有限元分析得到了广泛的运用。车身作为汽车的关键总成，其力学特征对整车的动力学特征起关键作用。车身模态分析则关系到整车刚度、常规震动和车身减重。实践证明对白车身结构进行有限元分析可以提前发现、避免相关的设计缺陷，及时整改、优化设计。从而缩短开发周期，节约试验费用。

文章通过对白车身的模态分析对设计进行结构优化，使得车身结构局部模态和整体刚度特征满足模态规划要求。

1 有限元模型

有限元分析基本是利用一组离散化单元组集代替连续体机构进行分析，这种单元组集体称结构力学模型。车身模型建立原则为能反映车身主要力学结构特征和边界约束条件，其次可考虑在保证正确性的基础上对模型进行适当的简化。模型建立过程需考虑：模型的简化、网络划分、材料属性确定、单元选择及模型的连接与装配。为此对模型建立进行了如下处理：

1.1 模型建立采用了基准尺寸为10mm的QUASD4划分SHELL单元，局部采用了大于3mm的小尺寸划分，在非关键区域几何过度区少量采用了TRIA3单元。TRIA3单元占总数的比率小于5%。

1.2 孔径6mm～10mm，用方孔代替；孔径大于10mm，保留孔，孔周围两圈偶数个单元，其他非重要小孔可忽略。

1.3 翻边至少要划分两排网格，圆角大于3mm可以保留，螺栓用RIGID或梁连接。

1.4 焊点采用CWELD/ACM单元，方向同连接壳单元法向量平行。焊缝则采用CQUAD4和CTRIA3模拟，对不考察局部应力的情况下，有选择性采用节点重合，并保证网络的几何匹配。

根据车身提供的数字模型，最终白车身带玻璃有限元模型单元547，219，节点569，580个，见图1。其中材料选择见表1。

表1 材料属性

2 模态分析

由于汽车上各个系统的相互关联，模态规划就是界定各个系统频率范围的过程，防止产生共振并提高整车的刚度。车身作为人的载体，直接同人的感受相联系，同时白车身的模态对车身的贡献达到了60%以上，对白车身的模态分析则显得至关重要。

汽车行驶时要承受各种外界和内部的激励源的激励，图2为激振传递图。

四缸机750转左右怠速下激振主频率在25Hz和50Hz。额定功率行驶时5500*2/60=183 Hz。正常行驶时发动机的激振频率源大于通常的整车模态，但怠速时激振频率和白车身的低频非常接近，怠速时容易引起车身共振[1]。

悬架的簧下质量为簧上的1/5～1/10，轮胎刚度是悬架弹簧的5～10倍，所以簧下质量的固有频率比簧上要高5～10倍，bounce和pitch这两个频率一般控制在1Hz～2Hz， bounce比pitch要低1.2倍左右，这样与步行时的频率差不多，人体感觉在舒适范围。轮胎不平衡引起的激励，主要在11Hz以下。该激振较小，容易避免。

根据相关文献，汽车在正常路面以低于车速在150km/h速度行驶时，路面的激励频率低于21Hz，所以汽车车身的固有频率需高于21Hz，最好不低于25Hz的激振频率[2]。传动轴引起的激励一般在40Hz以上，分量较小，对白车身的影响较小。方向盘一阶模态在80Hz左右，纵向和横向在35Hz左右。排气系统一阶垂向和横向在24Hz左右。避免车厢空腔的低频需避开第一阶空腔共鸣频率，该类型车型带座椅的一阶频率一般在50～70Hz。车身壁板的结构模态则要避免与车厢的声学模态耦合。

汽车的振动是各阶模态振动的综合表现。前几阶的整体模态起主要作用。从上述分析可以得出，主要的激励来自路面对车轮的冲击和发动机的振动。在设计汽车时，车身的固有频率应有效避免相关的激振频率，提高整车的舒适性及疲劳寿命。通常，Trimmed Body模态相对白车身模态下降5～10Hz。承载式车身的弯曲刚度一般高于扭转刚度，要求之间能分开3Hz以上。

表2 模态分析结果

为避免相连系统出现共振，整车制定了车型频率规划。对白车身确定了如下标准：局部模态要求大于40Hz，第一阶扭转要求大于30Hz，第一阶弯曲要求大于40Hz。通过计算和分析发现第一阶扭转小于30Hz，不满足设计要求。同时D柱下加强板有优化空间，后背门上部局部模态不够理想，因此在结构整改中，对相关的零件进行了结构优化。

3 模态优化措施

模态改进则本质是增加其自身刚度，改变其固有频率分布，使质量分布更合理。

本次改进主要采用的方法为：

（1）重要接头处加强焊接及合理设置加强筋，提高整体刚度。

（2）提升灵敏度较高的零件料厚，对灵敏度较低的零件采用降低料厚、挖孔或取消这类零件。重要接头处加强焊接及合理设置加强筋，提高整体刚度。

（3）优化传力路线，减少应力集中，改善应力分布。

除上述方法外，模态改进还可采用涂覆隔振板，激光拼焊，采用超轻钢、铝、塑料等材料等。表3为根据模态分析结果对结构优化后结果。

通过模态分析的应力应变分布图，发现D柱下加强板的刚度贡献值较小，而该件重量却很大，考虑质量分布和刚度的关系，决定取消该件，将减少的重量应用到刚度贡献更大的零件上。对上接头应力集中处优化了传力路径，模态提高了1.27Hz。另外，对上接头局部、轮罩撑板、小隔板处利用较小质量的加强板进行了局部加强。

根据零件的料厚灵敏度有针对性增加了灵敏度0.45以上的相应零件的料厚，表4，表5，以达到改善模态的效果。

表4 高灵敏度零件

表5 结构优化对质量和频率影响结果

4 结语

文章以某SUV改进项目为例，通过建立整车结构有限元模型，帮助在改进设计过程中找出对整车模态影响的关键零部件及相应模态灵敏度，并对灵敏度较高的零件进行了改进优化。优化后白车身质量减少了1.5KG，一阶扭转提高了4HZ，满足了项目对白车身模态的改进目标。

参考文献

[1]傅志方，华宏星，模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.