白车身模态灵敏度分析及减重优化

钱平，包键，李建新

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广州 511434）

白车身模态灵敏度分析及减重优化

钱平，包键，李建新

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广州 511434）

基于白车身有限元模型，分析了白车身的自由模态，得到了一阶弯扭模态；研究各钣金件厚度对弯扭模态的贡献量，找出了影响较大的钣金件。根据分析结果确定了优化方案，在保证弯扭模态不降低的情况下减重26.4 kg，为车身的轻量化设计提供明确的方向。

白车身；灵敏度分析；一阶弯扭模态；轻量化

钱 平

现任于广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，担任车身及声学包NVH分析工程师。

随着汽车工业的发展，人们对车辆的经济性和舒适性的要求越来越高，作为汽车性能开发的重要指标，车身结构模态以及白车身质量的优化具有具有重要意义[1]。研究表明，燃油经济性与整车质量成反比，整车质量每减轻10%，燃油消耗量降低6%-8%[2]，因此车身轻量化系数是整车性能开发中的重要指标之一。另外，为提高整车的舒适性，避免行驶中车身与低频激励共振，还需合理设计车身结构的模态分布。

本文首先建立白车身有限元模型，然后对白车身的自由模态进行计算分析。根据模态分析结果，约束白车身一阶弯扭模态，进行结构模态灵敏度分析。然后考察车身钣金件对其弯扭模态的贡献量，根据结果设定优化方案并验证。

1 某白车身模态分析

本文以某型乘用车白车身为研究对象，对车身进行离散，车身钣金件采用10 mm×10 mm的壳单元；焊点采用ACM单元模拟，焊点直径为6 mm；焊缝用刚性单元模拟；车身粘胶采用实体单元；总装件的螺栓连接用刚性单元连接。车身重量为480.7 kg；单元947 417个，节点886 984个，建立有限元模型如下图所示。

采用Block Lanczos方法求解自由模态，其中前六阶为刚体模态，在整车NVH分析中，一般只考虑弹性体模态，下表列出前六阶弹性体自由模态。

表1 前六阶弹性体自由模态

白车身的一阶扭转为32.77 Hz，一阶弯曲振型为43.88 Hz。对于整车NVH性能来说，白车身弯扭模态应分布在合理范围，本文重点考察各个钣金件的厚度变化对白车身的一阶弯曲和一阶扭转模态的灵敏度。

2 白车身模态灵敏度分析

2.1 理论基础

优化和灵敏度分析首先需要将系统的主要参数，如材料密度、厚度，面积等设计参数用变量来参数化，这样设计目标g与变量 之间就构成了一个函数关系g = G (v1,v2,…,vn)，同时设计变量还要满足一定的约束方程。优化过程就是设计变量在满足约束方程和取值范围内，使目标达到最大或最小，可表示为[3]:

如果设计变量vi有 一个很小的变化vi，设计目标也会有个很小的变化，即

由于白车身的一阶弯扭模态对整车的NVH性能影响较大，所以将一阶扭转和一阶弯曲模态频率对各个钣金件厚度变化的敏感程度作为灵敏度评价指标，单位Hz/mm，表达式为[4]:

式中: f 为结构的频率； h为钣金件厚度；A为单元的表面积；为密度；E为弹性模量；为刚度矩阵中与 E 和 h无关的部分；fe是对应厚度为h的 单元e的分量组成的特征向量；为的转置；是质量矩阵中与h无关的部分。

2.2 结构模态灵敏度分析

由于整个车身的钣金件数量较多，同时考虑到设计变更的可行性，本文主要选取车身主体结构的框架钣金件作为设计变量。约束白车身的一阶扭转模态大于40 Hz，一阶弯曲模态大于46 Hz。考虑到白车身的轻量化设计，目标函数为最小化车身质量。

灵敏度分析是将设计变量的变化值迭代求解计算目标函数，即用割线法对目标函数中某点的导数逼近，本文对一阶扭转和一阶弯曲模态进行灵敏度分析，部分结果如表2所示。

表2 灵敏度计算结果

分析模态灵敏度计算结果发现，后围板和流水槽对一阶扭转模态的影响最大，另外顶棚后横梁、后背门框上横梁、B柱内外板、后纵梁，C柱加强板、前围上盖板等钣金件的厚度变化对其影响也较大。应适当增加后纵梁、B柱内外板等的厚度，减小流水槽、顶棚后横梁等的厚度；前纵梁和后门框上横梁对一阶弯曲模态的影响最大，另外D柱内外板、顶棚横梁、前弯梁内外板等钣金件的厚度变化对其影响也较大。

综合考虑各个钣金件对弯扭模态的贡献量大小，确定减薄和增厚的钣金件如下图所示，通过改变这些钣金件的厚度，能有效地提高白车身的一阶弯扭模态。

2.3 优化方案验证

在汽车设计中，不但要考虑到汽车的NVH性能，还要兼顾其他方面诸如轻量化设计、成本控制等，所以不可能无限制地增加钣金件的厚度。

表3中的方案二减薄图6中的钣金件，增厚图7中的所有钣金件，白车身的一阶弯扭模态得到有效的提升，但是车身重量也大幅增加，不利于车身性能的提升。方案一只减薄图6中的钣金件，其他零件厚度不变，车身一阶扭转模态提升，一阶弯曲模态小幅降低，白车身质量减重26.4 kg，合理优化了白车身的性能。

表3 灵敏度计算结果

3 结论

本文系统的阐明了灵敏度分析的基本理论以及在白车身模态和轻量化设计中的应用，通过方案一的优化，合理分布了白车身的钣金件厚度，不但提升了白车身的弯扭模态，还减重26.4 kg。

在车身的概念设计阶段，结构模态灵敏度分析减少了优化的盲目性，极大的提高了性能设计人员的工作效率，缩短了产品开发设计周期，对提高汽车的车身结构性能起了重大作用。

[1] 辛勇, 叶盛, 鄢回洪. 基于灵敏度分析的轿车车身轻量化. 塑性工程学报[J], 2013, 20(6), 117-121.

[2] Joseph C. Benedyk. Light Materials in Automotive Applications[J]. Light Metal Age. 2000(10), 34-35.

[3]李增刚. Nastran快速入门与实例[M], 北京,国防工业出版社, 2007,156-157.

[4] 夏国林. 白车身动态灵敏度分析及优化设计, 设计研究[J], 2008,5(9), 37-40.

专家推荐

曾 斌：

该文章系统的阐明了灵敏度分析的基本理论，基于白车身有一阶弯扭模态频率，研究各钣金件厚度对弯扭模态的贡献量。根据分析结果确定了优化方案，在保证弯扭模态频率基本一致的情况下减重26.4 kg，对车身结构性能提升改进具有一定的指导意义。该文章学术水平接近国内先进。文章内容完整，叙述层次分明，文字通顺流畅，格式规范，推荐全文发表。

The Sensitivity Analysis and Weight Optimization of BIW Mode

QIAN Ping, BAO Jian, LI Jian-Xin
( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Automobile Engineering Institute, Guangzhou 511434, China )

Base on a MPV, the finite element model of the BIW is established, the first order torsion and bend mode is got through the free modal analysis of the BIW; The contribution of the shell to the first order torsion and bend mode is studied, and the more important component was found. The solution was found base on the results, the weight of BIW has been reduced 26.4 kg, offering a certain direction to the light weight design of BIW.

BIW; Sensitivity Analysis; First order torsion and bend; light weight

U463.82

A

1005-2550（2016）01-0026-03

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.005

2015-08-17