轿车车身模态分析及结构优化设计

卜海洋

摘要：现代汽车的使用频率随着人民经济水平的不断提升而在不断上升，而人们在满足基本的代步需求的同时，也日益追求轿车的形态的美观度，以及使用的舒适度。因而就需要在车身结构上进行力学特性的优化，从而实现整体结构上的简化，本文主要以其离散单元建立有限元模型，对其形态设计提供更好的设计方案，从而推动我国汽车行业的快速发展。

关键词：车身;模态分析;有限元;结构优化

前言

在现代汽车的设计和构造领域中，唯有快速根据市场需求进行设计和建设，才能更好地提升核之竞争力，赢得更大的市场份额。为了更好地对轿车的开发周期进行减缩，以及以更大程度地缩减成本投入，就需要对其力学结构进行优化，这也是顺应市场发展潮流的重要表理之一。在现代计算网络快速发展的前提下，对力学结构进行分析相对于过去而言更加简便，其可以通过计算机技术的应用快速地对其中所需的数据进行提取，其便是现代轿车力学结构设计中的有限元法。有限元法是轿车车身结构模态设计中运用最为广泛的方法之，其可以通过数据的形式对车身建立低阶弹性模态，并以不同的数据进行结构刚度的调节，从而实现轿车结构的最优化。因而本文主要基于有限元法对轿车车身模态分析及结构优化设计的优势进行分如下析说明。

1 有限元法在轿车车身模态分析及结构优化设计中的意义

经过大量的实践证明，有限元法可以对轿车的整体车身结构统筹构建和优化，其中最为重要的就是建立相应的模形进行优化。其在设计初期可以实现对轿车刚度性能以及整体抗震性能地分析，以此避免出现设计缺陷。其次，为了更好地实现车身结构的最优化，其还可以通过改动和调节设计，柔化整体的形态结构以及刚度，以此达到最优的轿车动态性能和防噪音效果。有限元法能够在轿车构造之前实现设计方案的演示和调节，从而对其中的不足之处进行优化，可以缩减后续的调整改造费用，可以有效提高轿车设计的有可靠性和经济性。

2 轿车车身有限元模型的建立

2.1模型建立的原则

轿车车身有限元模型建立的精确性与最终最终结果的精准性具有密切关系，其直接影响了后续的修改次数以构建的经济效益。由此可见，实现轿车车身有限元模型的精准化构建是十分重要的。从多次的实践经验可以得出相关的提高模型精准性的标准如下：

（1）轿车计算模型必须具而全面性，要充分利用计算机网络对轿车的整体力学结构、物理结构、车身抗震等性能进行综合分析，同时又要考虑到车身形态与结构之间的协调性，其次，则是要考虑到车身的承载能力与力学的边界值之间的关系。

（2）轎车计算模型还应具有良好的经济效益。因为了更大程度地还原轿车设计的精准性，就需要投入大量的人力、物力于模型的构建和设计上，从而在耗费了大量时间的同时，也使得成本投入在不断增加。因而在构建模型上，就需要根据基本的物理原理对力学结构进行一定的简化设计，从而让其在满足基本需求的同时，也能更好地发挥更大的经济效益。

（3）轿车车身有限元模型构造要注重细节工程。现代轿车往往采用构件与骨架相焊接的方式进行，因而就需要对其中所包含的零部件进行模拟安装，从而提高车身形态的承载能力。其次。为了更好地弥补车身形态的刚度缺陷和薄弱环节，就需要对其前塔型支承、行李架等构件进行优化设计和模拟。

但从整体的模型构造上而言，也应明确模型主要是对整体的车身形态和力学结构进行优化模拟，而非对其细节进行优化，如果过多地关键一些非关键性因素，往往会使建模难以实现最初的模拟目标，同时还可能因为过多的细枝末节影响结构设计的精确度。

2.2 模态分析

对构件进行模态分析实际上就是基于其自身所具的特性进行构件的性能调节，并在不断地调节中实现设计和构造的最优化，以此满足基本的使用需要。其次，为了更好地实现车身结构强度的最优指标，往往需要对其模态数据进行反复修改，并把让车身结构的整体低阶弹性模态频率提升至一定的水平。提高车身结构整体模态频率的主要有两个途径，其一是对构建材料进行选择，应采用密度小并且钢性较强的材料为佳，从而从本质上提升，模态的总体质量。其二是对结构中的关键影响因素进行调节和构造，让其尺寸和刚度实现最优化。尽管第一种方式相对其传统车身结构设具有明显优劣，但其劣势也也体现在经济效益较低上。因而其也因不符合现代可持续发展理念也运用日益减少。而第二种方式往往更为贴近现代与车身结构模态优化设计的要求，通过不同参数的变化，最终使车身结构的强度和刚度实现最优化。

3 模态分析结果与评价

3.1模态分析结果

由于轿车车身的抗震性能强弱往往体现于低频域，因而在对其模态进行分析时，往往根据车身的振动响应得出轿车车身模态分析及结构优化设计的优化模态。在对模态进行结果分析时，从第低阶模态开始展开数据的计算和分析，如果在初期的设计方案中，出现不理想的设计，则可以及时地进行优化。例如为了更好地实现局部结构的优化，就可以对后风窗下部的行李箱局部进行优化，调节其刚度频率，从而实现局部结构的快速优化。

3.2模态分析评价

汽车的激励一般分为路面激励、车轮不平衡激励、发动机激励、传动轴激励。路面激励一般由道路 条件决定，目前在高速公路和一般城市较好路面上，此激励频率多，对低频振动影响较大;因车轮不平衡引起的激振频率一般低，随着现在轮辋制造质量及检测水平的提高，此激励分量 较小，易于避免;发动机引起的激振在 以上 缸发动机，此激励分量较 大;城市中一般车速控制在，高速公路 上一般车速控制在，传动轴不平衡引起的振动频率范围在以上，此激励分量较小。从模态分析结果可知，该车一阶 模态值为，属于正常频率范围。目标车型的 一阶模态值为 将该车与目标车型对比分析 可知，该车轿车身的第一阶固有频率值比目标车型刚度较好。

对车身结构进行了模态优化后，往往会使得车身的力学结构发生不同程度的变化，其刚度性能和抗震强度都会得到加强，由此一来，车身的局部模态平衡频率和阶数也会得到相应的提高。优化后行李箱搁板位置出现局部模态的频率值由于该车是在两厢车的基础上发展而来的，导致后地板局部相对刚度偏低，在对后地板局部结构进行优化后，该后地板位置出现局部模态的频率值。由此可以得出结论，优化后的局部结构，使得轿车车身整体刚度更加协调。

轿车车身结构的优化设计应从局部到整体，因而在实际的模态分析过程中，更需要对其整体的性能进行权衡和分析。

4 结束语

轿车车身模态分析及结构优化设计是提升使用感受的重要环节，因而需要采用先进的技术手段进行优化，从而实现轿车整体刚性的调节，并在模型的不断修改和调整性，提高局部的模态频率，使整体的模态特性更为协调。有限元法是现代汽车产业快速发展下衍生的新型产物，其通过建模的方式改变了传低效率的设计生产过程，为缩短产品的设计周期和提高生产效益提供了良好的基础。由此看来，有限元法运用于现代的汽车开发和设计中是具有推广价值。

参考文献

[1]王新宇. 硬件在环的轿车轿车身结构分析与优化设计[D].吉林大学，2016，27（4）：113-116.

[2]高玉华. 硬件在环的轿车轿车身结构分析与优化设计[D].合肥工业大学，2016，27（1）：183-186.

[3]张红哲. 车身概念设计智能CAE关键技术的研究[D].长春理工大学，2010，27（3）：133-136.

[4]王宇. 轿车轿车身结构分析与优化设计[D].辽宁大学，2016，27（5）：103-106.

（作者单位：长城汽车哈弗技术中心）