某轿车白车身模态仿真分析

田国红，齐登科，孙立国（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000）

某轿车白车身模态仿真分析

田国红，齐登科，孙立国
（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000）

摘 要：以某国产轿车白车身为研究对象，用HyperWorks软件建立了以壳单元为主的白车身有限元模型，通过Nastran对该模型进行模态分析计算，得到白车身的各阶模态频率和模态特性。结合模态分析结果，分析汽车运行时来自于外界和内部激励源的振动，为该款车后续的动态特性改进设计提供参考。

关键字：白车身；Hyperworks；模态分析；激励源；有限元

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.016

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-38-03

引言

现代汽车可以看作一个复杂的多自由度振动系统，在受到外界激励时会产生振动。当外界的激振源频率与汽车系统固有频率接近或相同时，会使汽车与其产生共振。车身是轿车重要组成部分，被看作是一个连续的弹性结构系统，其固有振动频率表现为无限多的固有模态。低阶模态多是整体振型，如整体扭转、弯曲振型；高阶模态多是一些局部的振型，如地板振型、车顶振型等。汽车NVH性能对整车模态分布是否合理影响较大[1]，因而模态分析在汽车设计和研究过程中得到广泛应用。模态分析技术是一门重要的工程技术，对车身结构进行模态分析在车身结构动态特性分析和结构优化方面意义重大[2]。本文以某款轿车为研究对象，先通过对3D白车身模型的建立，然后在Hypermesh中进行有限元划分，最后在对其进行模态计算和分析。

1、白车身模态分析理论

模态分析是以线性振动理论为基础，以模态参数为目标，研究激励、系统、响应三者的关系。主要是运用有限元法对振动结构进行离散，建立系统特征值问题的数学模型，求取系统特征值与特征向量，即相当于求取系统的固有频率和模态振型[3]。

模态求解就是提取振动系统的动力学微分方程的特征值(频率)和特征向量（振型）。通过分析车身低阶模态频率和模态振型，一方面能考察车身的整体刚度特性，另一方面还可以优化车身结构，从而使车身模态频率避开来自多方面的激振频率。所以说，科研人员在白车身的结构设计过程中，车身整体的低阶模态是重要的不可忽视的一块。

对于一个N自由度线性定常系统，其运动方程可写成：

(1)式中，[M]、[C]、[K]、{x}、{r}分别指结构质量、阻尼、刚度矩阵、位移响应向量、激励力向量。进行模态分析，主要求解固有频率和振型参数，与外载荷无关，可以使{r}={0},则可得系统的自由振动方程。在计算固有频率和固有振型时,结构阻尼影响很小，可以忽略不计，这时可得无阻尼自由振动的运动方程:

其对应的特征方程为：

式（3）中，ωi是自由振动固有频率，由（3）可得N个自由度的系统有N个固有频率。上式转化为实特征值问题,{￠}有非零解的充要条件是：解方程可得到一组频率解ωi(i=1,2,…,n)，代入式(3)可得每一频率下对应的位移。

2、白车身有限元模型的建立

轿车白车身是一种复杂的钣金冲压结构，由多个钣金压件焊接组成。其由多个总成组成，包括发动机舱总成，地板总成，后围总成，顶盖总成，左侧和右侧总成等。本文先利用3D软件CATIA建立白车身的几何模型，并根据FEM计算的需要和要求，进行必要的简化，在模型建立完成之后，将几何模型转化为IGES格式文件，导入到有限元前处理软件Hypermesh中。 图1为白车身建模流程。

白车身有限元建模的基础及主要工作就是白车身有限元的前处理。处理完之后最终达到所需要的网格质量要求，并对其进行添加焊点单元。整个车身有523093个壳单元，其中三角形单元18831个，占2D单元的3.6%。本文建立某轿车白车身的有限元模型如图2所示，网格质量要求如表1所示：

表1　网格质量要求

3、白车身模态分析

在建立有限元模型后，经输出参数设定，利用Nastran求解器应用Lanczos算法计算白车身60Hz以下的固有频率和振型。白车身模态分析重点关注第 1 阶弯、扭等整体模态频率，但为了全面分析该车的白车身模态，提取了前7的模态振型，如图3所示。

从图3中的模态振型可观察到，前围板、前横梁、顶棚和后备箱地板覆盖面积大而薄的冲压件，因其刚度小而易产生局部模态。排除局部模态对整体结构模态的影响，得到白车身的整体模态。图1为各阶模态频率和振型。

表1　各阶模态频率和振型

通过表1中的模态分析，发现只有第2阶和第6阶模态是整车模态，其余都是局部模态。白车身结构在安装车身附件后，其整体模态变化也很小，因此对其进行研究可以改善汽车的振动特性。而局部模态在安装车身附件后变化很大，有的会因附件的安装该阶模态会消失，因而模态分析时只关注整车的模态。当频率为32.9Hz时为整车一阶扭转模态，当频率为55.2Hz时为整车一阶弯曲模态，其余各阶模态均为局部模态或者多个局部模态的叠加。

据研究人员发现，汽车运行时来自各种外界和内部激励源的激励，这些激励主要包括：

1.车轮不平衡会引起振动，引起的激振频率一般低于11Hz，随着现在轮轴制造质量及检测水平的提高，此激励分量较小，易于避免。

2.来自路面激励是由道路条件决定，其激励频率为1-3Hz，对低频振动影响比较大。

3.发动机引引起的振动分为两部分：怠速和经济转速。怠速时的激振频率在25Hz左右(怠速为750r/min,4缸发动机)，此激励分量较大。在经济转速行驶时（r=3000r/min，4缸发动机），激振频率较大（大于100Hz），在这些频率的激励下白车身呈现局部模态，对白车身整体影响不大，不必对其做过多考虑。

4.在城市行驶时，车速控制在20-80Km/h，高速公路上车速控制在80-120KnFh，一般轿车传动轴不平衡引起的振动频率范围在40Hz（经验值）以上，但此激励分量较小。

通过以上各种激励源的分析可以知道，当固有频率为32.9Hz和55.2Hz时，可以有效避开各激励源的频率值和频率分量，设计比较合理。当汽车正常行驶时，发动机的激振频率已经远大于汽车的整体模态频率，不会引起汽车的共振。

4、结论

本文根据某款轿车建立了白车身的模态分析有限元模型，计算了0-60Hz范围内的自由状态下的振动响应，然后对模态振型和对应的频率进行说明，并根据局部模态和整体模态对其影响，去掉局部的模态频率和振型，最后得出此款车型的整体模态对应的固有频率。在此固有频率下能够很好避开各种外部和内部的激励源对应的频率，从而可以避免共振的发生。 通过对此款车的白车身模态分析，了解了白车身的基本模态属性，为以后汽车频率响应分析、NVH分析奠定了基础，为后续的设计改进、试验提供了理论依据。

参考文献

[1] 于国飞.Hyperworks在汽车白车身模态分析中的应用[J].厦门理工学院学报,2012,7(9):11-15.

[2] 孟祥禹.白车身结构模态分析及参数模态的优化设计[M].东北大学,2009.

[3] 鲍恩涛.汽车排气系统动态特性研究[M].安徽:合肥工业大学, 2012.

[4] 汪成明.轿车白车身模态分析及其优化[M].合肥工业大学,2007.

[5] 梁君,赵等峰.模态分析方法综述[J].现代制造工程,2006(8): 139-141.

[6] 张攀,雷刚,廖林清.某汽车白车身模态分析[J].重庆工学学报,2008(3):97-99.

Modal Simulation Analysis of Car's Body-In-White

Tian Guohong, Qi Dengke, Sun Liguo
（Liaoning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）

Abstract:Taking a domestic car white body as the research object, In this paper, the FEM model of a car's body-in-white is created with Hypermesh FEM soft-ware. A modal simulation is done to analyze the BIW by the software Nastran,so as to get the different orders modal frequency and modal characteristics. In combination with the modal analysis results, analysis the vibratio from the internal and external exciting source when the car running ,which will supply the reference standard for dynamic design of the subsequent improvement of the car design.

Keywords:body-in-white; Hyperworks; modal analysis; Excitation source; FEM

作者简介：齐登科，就职于辽宁工业大学汽车与交通工程学院。

中图分类号：U467.3

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2015)10-38-03