基于模态灵敏度分析的客车车身改进

Structural improvement of a light bus body-in-white based on modal sensitivity analysis

李万利，陆森林

（江苏大学 汽车与交通工程学院，镇江 212013）

LI Wan-li,　LU Sen-lin



基于模态灵敏度分析的客车车身改进

Structural improvement of a light bus body-in-white based on modal sensitivity analysis

李万利，陆森林

（江苏大学 汽车与交通工程学院，镇江 212013）

LI Wan-li,LU Sen-lin

摘要：为提高某轻型客车NVH性能，针对其低阶模态固有频率过低的问题，运用模态灵敏度分析方法，获知了前三阶柔性模态固有频率与车身质量分别对板厚的灵敏度，通过对关键零部件形貌优化和厚度调整，对白车身结构进行了改进。仿真分析表明，客车白车身的前三阶柔性模态固有频率有了明显的提高，而白车身增加的质量甚少。

关键词：汽车NVH；白车身；模态分析；灵敏度分析；结构改进

0　引言

NVH性能（噪声、振动、舒适性）是整车设计过程中需要考虑的重要特性。白车身作为整车的主要组成部分，其结构模态参数反映了整车动态特性，作为外界激励的直接作用对象，在外界激振频率与车身固有频率相近的情况下，会导致车身共振，影响整车舒适性[1,2]。胡小舟等[3]通过模态应变能和灵敏度分析，并对关键零部件的厚度进行了调整，提高了白车身第阶模态固有频率。谢煌生等[4]通过对轿车车身进行结构性能灵敏度分析，确定了对低级模态固有频率影响较大的零部件，通过对其结构的进，车身低阶模态频率得到明显地提高。胡巧声等[5]通过加强白车身，提高其主要阶次模态频率，结构加强后的车身振动与噪声有效降低，轿车NVH性能得到提高。

为提高某轻型客车NVH性能，本文建立了客车白车身有限元模型，分析了白车身在0～50Hz范围内的振动模态；通过对客车白车身进行模态灵敏度分析，获知了前阶柔性模态固有频率与车身质量分别对板厚的灵敏度，对关键零部件形貌优化和厚度调整，在尽量不增加车身质量的情况下，提高了前级模态固有频率。对比结构进前后的仿真结果，表明该进方案有效、可行。

1　理论基础

设wi和ui分别为车身结构第i阶模态的固有频率与振型向量，它们应满足：

式中：K为结构模型总刚度矩阵；M为结构模型总质量矩阵，其维数即为结构模型自由度数。

对式(1)中某设计变量x求偏导数，可求得：

用uTi左乘式(2)，且有：

即可获得第i阶模态固有频率对设计变量x的灵敏度：

2　客车白车身模型建立和模态分析

2.1结构有限元模型的建立

借助Catia创建某轻型客车的白车身模型。建立的车身模型应能反映工程结构的主要力学性能和车身结构的实际形状，以及零部件间的连接关系[6]。同时为了降低网格划分的难度与减少仿真分析的时间，在Hyper Mesh中应先对车身结构模型进行些必要的简化：删除些对车身整体结构影响细微的特征，如圆孔、圆角、倒角等，忽略些非承载件与装饰件，如方向盘、仪表盘、制动踏板等[7]。采用尺寸为40mm的Shell63单元，各零部件的有限元网格在Hyper Mesh中通过rigid单元连接，生成客车白车身结构有限元模型如图1所示，单元数量为37177，节点个数为36286，其中角形网格有659个，占1.8%。

图1　白车身有限元模型

2.2车身的结构模态分析

在LMS Virtual. lab中运用Block Lanzos法对客车白车身有限元模型进行自由振动模态分析，其中前六阶为刚性模态，其柔性模态才能反映车身结构相对运动形式，前阶柔性模态分析结果表1所示，相对应的模态振型如图2～图4所示。

表1　白车身仿真模态频率和振型

图2　白车身第一阶模态振型

图3　白车身第二阶模态振型

图4　白车身第三阶模态振型

3　客车白车身灵敏度分析

由灵敏度分析理论可知，当部件对于某阶模态频率的灵敏度值为正且绝对值较大时，增加该部件的料厚对提高该阶模态频率有显著的效果；反之，当灵敏度值为负且绝对值较大，减少该部件的料厚可有效提高该阶模态频率。由图5可知，对于白车身前阶模态频率，不同位置上的部件对不同阶次模态频率的影响是不样的。对前阶模态固有频率灵敏度值为正且绝对值较大的零部件有：2、7、13、14、16、24、28、30。其中对模态固有频率影响最大的零部件是7和24。当增加部件7的料厚时，可使第阶模态固有频率得到明显的提高；当增加部件24的料厚时，可使前阶模态固有频率均有提高，其中第阶模态频率提高的最为显著。对前阶模态固有频率灵敏度值为负且绝对值较大的零部件有：4、6、22、27。其中对模态固有频率影响最大的零部件是4和27。当减少部件4的料厚时，可使第二阶与第阶固有频率大幅度提高，而第阶固有频率基本不变；当减少部件27的料厚时，可使第阶固有频率大幅度提高，第二阶与第阶固有频率基本不变。

图5　前三阶固有频率对板厚的灵敏度

图6　质量对板厚的灵敏度

综合考虑客车白车身灵敏度分析结果，对零部件2、13、16、24、28、30采取增加料厚措施，对零部件4、6、22、27采取减少料厚的措施，对零部件7和14通过形貌优化。

4　白车身结构改进与仿真验证

4.1车身顶棚结构优化

零部件7和14分别对应的是车身顶棚和后地板，为在尽量不增加车身质量的情况下，提高车身低阶模态固有频率，本文对顶棚和后地板采取形貌优化的措施。下面以车身顶棚为例叙述其优化过程。

本文对顶棚形貌优化的主要目的是增强其刚度，即在顶棚上找到布置加强筋的最优位置及数量。优化过程中把原有加强筋去掉后的顶棚模型作为优化模型，目标函数为车身顶棚第阶柔性模态固有频率，约束条件为约束顶棚边缘的全部自由度。

车身顶棚有限模型在OptiStruct优化模块中经过11次迭代分析，第阶柔性模态固有频率从21.37Hz提升到26.41Hz，车身顶棚地最终形貌云图如图7所示。

根据最终优化变形云图，再考虑工艺性与经济性等条件，顶棚布置加强筋的最终结构如图8所示。

图8　顶棚采用的最终结构

4.2关键零部件厚度调整

表2　车身板件厚度调整

4.3仿真验证

图9　优化后白车身一阶模态振型

【】【】

图10　优化后白车身二阶模态振型

图11　优化后白车身三阶模态振型

从表3可知，改进后客车白车身的低阶柔性模态固有频率均有所提高，前三阶固有频率分别提高了50.9%，26.1%和21.3%，其中一阶固有频率提高为12.83Hz，有效地避开了人体最敏感频率范围4Hz～12.5Hz，改进效果明显。

表3　优化前后白车身模态频率对比

5　结束语

以某客车白车身为研究对象，针对其低阶模态固有频率过低的问题，运用模态灵敏度分析方法，获知了前三阶柔性模态固有频率与车身质量分别对板厚的灵敏度，对关键零部件形貌优化与厚度调整，提高了前三阶柔性模态固有频率，而车身质量没有明显增加。

参考文献：

[1] 廖林清,徐科峰,雷刚,等.轿车白车身模态试验与有限元模态分析的对比[J].重庆工学院学报,2009,23(1):11-14,66.

[2] 张平,雷雨成,高翔,等.轿车车身模态分析及结构优化设计[J].汽车技术,2006,(4):5-9.

[3] 胡小舟,林建平,陈龑,等.基于模态应变能及灵敏度分析白车身模态优化[J].机械科学与技术,2015,34 (9):1415-1418.

[4] 谢煌生,王悦新.轿车车身结构动特性改进方法[J].公路交通科技,2014,31(4):148-152.

[5] Hu Q S,Ni F,Zuo S G,et al. Investigation on technology of automobile vibration and noise reduction based on body-in white structure[J].Key Engineering Materials,2011,474-476:676-678.

[6] 林辉,陈吉清,谢然.汽车车身结构刚度与模态分析及结构改进方法研究[J].现代制造工程,2011,(6):58-63.

[7] 付长虎,刘红光,陆森林.客车车身的有限元模态及谐响应分析[J].重庆交通大学学报,2013,32(6):1267-1269.

[8] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009.

[9] 钱洋,朱茂桃,郭佳欢.微型电动汽车车身的轻量化[J].机械设计与研究,2014,30(6):146-150.

[10] 邬广铭,史文库,刘伟,等.基于模态灵敏度分析的客车车身优化[J].振动与冲击,2013,32(3):41-45

[11] 陈昌明,肖强.白车身模态灵敏度分析及结构优化[J].山东交通学院学报,2009,17(2):1-5.

设计与应用

作者简介：李万利（1987 -），男，湖南人，硕士研究生，研究方向为车辆振动与噪声。

基金项目：江苏省自然科学基金项目（BK2009212）

收稿日期：2015-12-16

中图分类号：U463.82+2

文献标识码：A

文章编号：1009-0134(2016)03-0064-03