基于模态分析的某皮卡发动机罩分析方法研究

操芹，夏鹏飞，汪轲，孙伟卿

（东风汽车股份有限公司商品研发院，湖北 武汉 430057）

设计研究

基于模态分析的某皮卡发动机罩分析方法研究

操芹，夏鹏飞，汪轲，孙伟卿

（东风汽车股份有限公司商品研发院，湖北 武汉 430057）

对某皮卡发动机罩进行模态分析，要求避开共振区间，同时具有一定的弯曲刚度。对该发动机罩内板进行改进优化，对优化后的发动机罩进行弯曲刚度分析，分析结果满足设计要求。在整车上进行发动机罩模态测试，测试结果与分析结果误差在5%以内，证明了该发动机罩仿真模型的正确性；同时在后续的整车路试中，该发动机罩没有出现振动、开裂、凹陷等问题，进一步说明了该发动机罩分析方法的正确性。

皮卡发动机罩；模态分析；模态测试；弯曲刚度

CLC NO.:U463 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-01-04

前言

汽车发动机罩属于开闭件，是汽车上易振动的部件，它的性能直接影响了整车的 NVH性能、碰撞安全性及整车外观品质等。而汽车更是由多个总成组成，通过悬架、悬置、铰链等连接在一起，汽车的 NVH性能不仅仅由这些总成各自的NVH性能决定，更重要的是这些总成之间的相互影响。为了保证某皮卡发动机罩总成的 NVH性能及整车品质，在该发动机罩设计初期要求对其模态特性进行考察，对其主要承载状态的刚度，即弯曲刚度，进行评估，以保证发动机罩有合理的动态刚度和静态刚度特性。

要求该皮卡发动机罩模态频率避开动力总成怠速频率，同时避开白车身一阶频率，以保证发动机罩在整车上不会发生共振。而发动机罩在使用过程中常常会受到外载荷的作用，如人为的按压、积雪等静载荷，以及行驶过程中的振动动载荷等，进一步要求该发动机罩能抵抗一定的变形，以保证外观品质。

1、发动机罩自由模态分析

1.1 模态分析的理论基础

模态分析方法提供了研究各类振动特性的一条有效途径，它能识别出结构物在某一频率范围内的各阶主要模态的特性，可以根据结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。

发动机罩模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为发动机罩结构动力特性的优化提供依据。而模态分析的意义在于将线性时不变系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，坐标变换的变换矩阵为振动矩阵，其每列即为各阶振型，即模态分析是求解结构的各阶固有频率及其对应的振型。多自由度离散系统的运动微分方程为[1]：

式中：{x}为系统广义位移向量；

{f}为多自由度激振力向量；

[M]为系统的质量矩阵；

[C]为系统的阻尼矩阵；

[K]为系统的刚度矩阵。

固有频率是结构本身的固有特性，与外界载荷无关，所以自由模态计算没有任何边界条件。固有频率表征其结构的动态特性，是系统运动方程的特征值。发动机罩自由振动运动方程为：

因结构的阻尼对其模态频率及振型的影响很小，可不考虑阻尼，则系统的振动方程为：

设振动方程的同步运动解为：

将式（4）代入式（3）中，即可得发动机罩系统的固有频率ωi和主振型{Hi}。

1.2 发动机罩有限元模型

某皮卡发动机罩自由模态分析的数模包括发动机罩外板、内板、加强板、铰链、发动机罩锁扣 ，如图1所示。将三维CAD数模导入软件Hypermesh中进行几何清理，去掉较小的圆角、孔等几何特征，采用壳单元来划分网格，网格基本尺寸为 10mm，发动机罩外板与内板的包边采用实际料厚的壳单元模拟，外板与内板之间的涂胶采用六面体 hexa单元类型模拟，焊点用acm单元类型模拟[2]。发动机罩总成有限元模型单元数37222，三角形单元比例trias =3.5 %。

发动机罩自由模态分析结果：一阶频率25.3Hz，振型是扭转，如图2所示；二阶频率45Hz,振型的内外板的局部模态。发动机罩的共振一般发生在低阶频率范围，所以重点考察一阶频率。

该皮卡动力总成怠速时转速为750r/min±50，即怠速振动频率区间为 23.3Hz-26.7Hz；而白车身一阶扭转频率为40Hz。发动机罩一阶扭转频率 25.3Hz远低于白车身的一阶扭转频率，但处于该皮卡动力总成怠速振动频率区间，容易发生共振，需要避开该区间。一般可以向两个方向改进优化，一个是提高该发动机罩的一阶扭转频率，另一个就是降低该发动机罩的一阶扭转频率，但考虑到提高一阶扭转频率后，还需要考虑开空调时动力总成怠速时转速的提升，所以选择通过降低一阶扭转频率来避开共振区间，同时还需注意一阶扭转频率不可降低过多，以免发动机罩刚性不足。

1.3 基于模态分析的内板优化改进

发动机罩外造型已经冻结，对外板进行更改较困难，最好的方式就是通过更改发动机罩内板来降低其一阶扭转频率[3]。方案一：将发动机罩内板中间筋的宽度减小20mm，同时将内板上贯穿的凹槽加深3mm，如图3所示。

方案一自由模态分析结果：一阶频率23.8Hz，二阶频率42Hz，振型均没有发生变化。

方案一的一阶扭转频率降低了 1.5Hz，说明改进方向是正确的，但依然处于动力总成怠速振动频率区间 23.3Hz-26.7Hz，还需继续改进。

方案二：在方案一的基础上，将发动机罩内板中间的加强筋宽度减小 8mm；将整个发动机罩折弯槽的深度加深3mm，同时将中间两段折弯槽上移至加强筋汇合处，如图 4所示。

方案二自由模态分析结果：一阶频率22.4Hz，二阶频率38.6Hz，振型均没有发生变化。

方案二的一阶扭转频率避开了动力总成怠速振动频率区间，且与竞品发动机罩一阶扭转频率22.5Hz相当，就发动机罩模态分析而言，达到了设计要求。

2、发动机罩弯曲刚度分析

考核发动机罩在垂向方向上的整体弯曲刚度。在发动机罩左铰链轴心处约束自由度 12346，右铰链轴心处约束自由度1346，约束左右橡胶垫块自由度3，并在发动机罩外板几何中心 75X75mm范围内加载150N的均布力，如图5所示。

图6为发动机罩弯曲刚度位移云图，计算结果见表一：

表1 发动机罩弯曲刚度计算结果

方案二的弯曲刚度比原数模降低了7.5%，而竞品弯曲刚度为53N/mm，方案二弯曲刚度比竞品降低了3%，考虑材料的性能及冲压制造工艺的影响，认为方案二的弯曲刚度达到设计要求。

3、发动机罩模态测试

振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。在静止状态下，对发动机罩进行敲打激励，测量激振力与响应并进行双通道快速傅里叶变换分析，得到任意两点间的导纳函数，通过对该导纳函数的拟合识别出发动机罩的模态参数，这就是发动机罩模态测试原理。采用 LMS公司模态测试设备SPECTRAL ACQUISTION采集软件测试各测点三向频响函数，模态参数识别采用LMS公司MODEL ANSLYSIS分析软件中的模态分析软件POLYMAX分析，LMS测试设备的模态向量容差为2%，固有频率容差为1%，模态阻尼容差为5%。

在发动机罩上贴上振动加速度传感器如图7所示，选取两个激振点进行比较测试：发动机罩的中部和右上角位置，用激振锤敲击激振点[4]，测试结果如图8、9所示。

由图 8和图 9可以看出发动机罩的一阶模态频率为22.3Hz，二阶模态频率为37.9Hz。表二为发动机罩模态分析与模态测试的结果比较，两者误差小于 3%，说明所建立的仿真模型很好的反映了结构的实际振动特性。

表2 发动机罩模态仿真与模态测试的结果比较

模态测试的结果比仿真结果略小，发动机罩模态分析是单独对发动机罩总成进行的仿真，而模态测试则是在整车装配状态下对发动机罩总成进行的测试，发动机罩与白车身铰链连接处的刚度对模态测试结果有影响，因此测试结果偏低。

4、结论

本文对某皮卡发动机罩进行自由模态分析，发现其一阶扭转模态25.3Hz处于该皮卡动力总成怠速振动频率区间，为了避免产生共振，对发动机罩内板进行优化改进，改进后的发动机罩一阶扭转模态为22.4Hz，避免了与其动力总成怠速时产生共振。同时对该发动机罩进行模态测试，测试结果与仿真分析结果误差在 3%以内，证明了该发动机罩仿真模型的正确性。

该皮卡发动机罩弯曲刚度比竞品低3%，在样车进行商品信息评价时顺利通过外观品质评价；在后续的整车路试中，该皮卡没有出现发动机罩振动过大、开裂、凹陷等问题。在新车型开发过程中，对发动机罩进行模态分析和弯曲刚度分析的方法已经成为开发流程中的一个重要环节。

[1] 傅志方，华宏星.模态分析理论与应用.上海交通大学出版社,2000.

[2] 于开平，周传月，谭惠丰等.HyperMesh从入门到精通[M]. 科学出版社,20005.

[3] 石琴，卢利平.基于有限元分析的发动机罩拓扑优化设计[J]. 机械设计与制造，2009(6)：31-33.

[4] 比利时LMS国际公司北京代表处.LMS Test.Lab中文操作指南.

Based on modal analysis of a pickup hood Analysis method research

Cao Qin, Xia Pengfei, Wang Ke, Sun Weiqing
(Dongfeng Automobile Co., Ltd. Commercial Product R&D Institute, Hubei Wuhan 430057)

On the pickup hood modal analysis, requirement to avoid the resonance range, at the same time have a certain bending stiffness. To improve the optimization of the hood inner panel, the optimized hood for stiffness analysis of bending, the analysis results meet the design requirements. Modal testing the hood in the vehicle, test results and the results of the analysis error within 5%, to prove the correctness of the simulation model of the hood; While in the subsequent vehicle road test , the hood no vibration, cracking, depression and other issues, further illustrate the correctness of the hood analysis method.

pickup hood; modal analysis; modal testing; bending stiffness

U463

A

1671-7988(2015)05-01-04

操芹，就职于东风汽车股份有限公司商品研发院CAE科。