轻型货车白车身模态分析

梁昌杰

（重庆车辆检测研究院有限公司 国家客车质量监督检验中心，重庆 401122）

轻型货车白车身模态分析

梁昌杰

（重庆车辆检测研究院有限公司 国家客车质量监督检验中心，重庆 401122）

以某轻型货车白车身为研究对象，基于有限元的基本理论，采用壳单元建立白车身的有限元分析模型，对白车身进行模态分析，得到白车身的固有频率和振型，借此评价车身结构设计的合理性，同时也为车身后期的动力学分析提供理论依据。

白车身；有限元分析；模态分析

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-171-03

前言

车辆在行驶过程中，车身结构在各种振动源的激励下会产生振动，如发动机运转、路面不平以及高速行驶时风力引起的振动等[1]。当振源的激励频率接近于车身整体或局部的固有频率时，便会发生共振，产生剧烈振动和噪声，甚至造成结构破坏，严重影响乘员的乘坐舒适性及安全性。因此，在车身设计和开发的初期阶段，有必要对其进行模态分析，以了解车身结构的动态特性，进而对车身结构进行优化设计，使得车身的固有频率避开各种激励源的频率，从而避免共振的发生。本文以某轻型货车白车身为研究对象，对其进行模态分析，并对模态分析结果进行评价。

1、白车身有限元模型的建立

白车身结构由五个总成组成，分别为：车顶、地板、前围、侧围、后围、货箱和车架，本文分别建立各个总成的有限元模型，由于这些总成结构主要是由大的钢板覆盖件组成，其厚度尺寸较小，故在建立有限元模型时，采用壳单元对各总成的几何模型进行网格划分，各总成的有限元模型如图1所示。

各总成的有限元模型建立后，需要对各部件进行连接。白车身大部分零部件是薄板冲压件，各零部件之间主要是通过焊接工艺实现连接，本文运用了点焊、缝焊和保护焊等。根据所提供的焊点图，在Hypermesh中通过运用spot-weld单元来把各板件焊点位置的节点连接起来，以此来模拟实际的焊点。本文中焊点材料选用08AL，焊点直径为7mm。有限元焊接结果如图2所示。

图1 白车身总成结构的有限元模型

图2 有限元焊接结果图

此外，在前围总成、车架及货箱等处还采用了螺栓连接。在Hypermsh中采用BOLT工具在螺栓孔处添加螺栓连接即可。有限元螺栓连接结果图如图3所示。

图3 有限元螺栓连接结果图

利用Hypermesh软件按照以上的步骤将各总成部件连接在一起，并按各部件给定的材料，对相应的总成设置材料和单元的属性，最终建立起白车身的有限元模型如图4所示：

图4 白车身的有限元模型

2、白车身结构模态分析

模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型。固有频率和振型是结构承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，模态分析也可以作为其他动力学分析问题（例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析等）的起点。所以执行动力分析的第一步通常是计算忽略阻尼情况下的固有频率和振型[2]，利用有限元法进行白车身结构模态分析，可以在计算机屏幕上直观形象地再现白车身的振动模态，进一步计算出各零件的动态过程，为汽车的动态设计提供方便有效的工具。

对白车身进行自由模态分析，得到车身的固有频率和振型，由于车身结构在空间具有三个平动自由度和三个转动自由度，因此其计算模态的前六阶模态的频率为零，将白车身的第七阶模态视为其第一阶模态。表1为车身的前十阶固有频率和振型，图5为白车身前十阶模态振型图。

表1 白车身前十阶固有频率和振型

图5 白车身前十阶模态振型图

3、模态分析结果及评价

（1）通过表1可知，该车的前十阶模态频率分布范围为：14.134Hz～40.036Hz，其中，第一阶模态（14.134Hz）和第四阶模态(21.238Hz)是整车模态，其余均为局部模态或者多个局部模态的叠加。

（2）在第二、第三、第七阶模态振型中，主要表现为货箱的局部模态，且振幅较大，表明货箱的刚度较弱，需要加强，可增加货箱栏板的厚度，在货箱合适的位置增加加强筋等。

（3）根据相关文献， 汽车行驶时，要承受各种来自外界和内部激励源的激励，这些激励主要包括：当汽车在正常路面上以120km/h的速度行驶时，路面对汽车的激励频率多在3Hz以下，此激励分量较大[3]。车轮不平衡引起的激励，主要在11Hz以下，该激励分量很小，容易避免. 传动轴在车速为50km/h～80 km/h时由于不平衡引起的振动频率范围在33 Hz以上，此激励分量较小[4]，因此，从振动和强度角度考虑，整车模态，即：第一阶模态（14.134Hz）和第四阶模态(21.238Hz)，可以有效避开激励分量较大的频率，不会引起车身的共振，进而表明车身的设计基本满足要求。

[1] 周长路,范子杰,陈宗渝等.微型客车白车身模态分析[J].汽车工程.2004,26(1).

[2] 隋允康,杜家政,彭细荣.MSC.Nastran有限元动力分析与优化设计实用教程[M].北京:科学出版社,2004.

[3] 王若平,毛国威.基于MSC.NASTRAN的城市客车模态分析[J].重庆理工大学学报(自然科学).2014,28(4).

[4] 王远,谷叶水.基于ANSYS的客车车身骨架模态分析[J].拖拉机与农用运输车.2009,36(6).

Modal Analysis for Body-in-White of the light truck

Liang Changjie
( Chongqing Vehicle Test & Research Institute, National Coach quality Supervision&Testing center, Chongqing 401122 )

The finite element model of Body-in-White of the light truck is established by shell element based on the basic theory of the finite element. The natural frequency and vibration mode are acquired through doing the modal analysis for Body-in-White. The analytic result are available to evaluate of the Body-in-White design. The result also provide the theoretical basis for the further dynamic analysis of the Body-in-White of the light truck.

Body-in-White; Finite element analysis; Modal analysis

U463.8

A

1671-7988 (2017)10-171-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.059

梁昌杰，工程师，工学硕士，就职于重庆车辆检测研究院有限公司，主要从事汽车试验与研究工作。