某纯电动客车模态分析

曾小兰， 孙长存， 周 翔， 余丽娜， 程 江

(江西博能上饶客车有限公司， 江西 上饶 334000)

模态分析是车辆NVH性能分析的基础，通过模态分析找到车辆的主要固有频率和振型，对比外界主要激励源的激振频率，为车辆避开这些主要的激励源避免共振提供理论依据[1-6]。本文以某纯电动客车的整车骨架和内饰车身为对象，进行模态分析，为车身结构的分析计算和改进提供参考[7-10]。

1 有限元模型的建立

本车采用全承载结构，包括前围、后围、左右侧围、顶盖和底架。前桥轴荷5.5 t，后桥轴荷11 t，整车长10.49 m、宽2.49 m、高3.49 m(不含空调高度)，整车骨架主要由Q235和Q345矩管焊接而成。

根据整车骨架的三维模型，在HyperMesh软件中进行网格划分。矩管和钣金件以四边形壳单元为主三角形壳单元为辅划分网格，壳单元基本尺寸15 mm，最小尺寸5 mm，翘曲度<15°，倾斜度<60°，长宽比<5，四边形单元最小内角45°，最大内角135°，三角形单元最小内角20°，最大内角120°。对于实体结构，采用四面体网格划分。考虑整个整车骨架的受力情况，忽略了直径小于5 mm的小孔。该客车有限元模型包含1 481 778个单元和1 381 778个节点，其整车骨架的有限元网格模型如图1所示。

图1 整车骨架有限元网格模型

骨架是整车重要的承载部件，其模态性能必须控制。内饰车身是在骨架的基础上添加内饰件，其动态性能更接近整车，加上内饰件后，其质量和刚度都发生了变化，导致模态频率和振型都发生变化，容易产生一些局部振型，导致车身在某些位置振动厉害，因此内饰车身的模态也需要控制。通过整车骨架和内饰车身模态可以找到车身结构上的薄弱环节，优化这些区域来发现车身结构上的潜在NVH隐患[11]。

在整车骨架有限元网格模型的基础上导入内饰车身三维模型(即保留内蒙皮、地板、玻璃、车门的模型)，用四边形网格对以上内饰件进行离散化，内饰车身有限元模型包含1 686 766个单元和1 492 893个节点，其有限元网格模型如图2所示。

图2 内饰车身网格模型

内饰材料主要包括内饰PP件、玻璃、竹胶板和门铝件，骨架材料主要有Q235和Q345。内饰车身材料的参数见表1。

表1 车身和内饰材料参数表

2 模态分析及讨论

2.1 整车骨架的模态分析

进行骨架的自由模态分析时，除了骨架本身的自重(定义好材料和网格属性，系统会自动计算，不需额外添加)，仅需施加一个模态运算载荷，即在Hyperworks软件中通过建立EIGRL卡片的Load Collector即可。

根据有限元分析结果，除去前六阶刚体模态，整车骨架一阶扭转模态为7.9 Hz，整车一阶弯曲模态为13 Hz，前六阶模态频率分别为7.9 Hz、9.0 Hz、13.0 Hz、13.5 Hz、16.0 Hz、17.1 Hz。其中整车的一阶模态振型图如图3所示。

(a) 整车一阶扭转模态(7.9 Hz)

(b) 整车一阶弯曲模态(13 Hz)

2.2 内饰车身模态分析及讨论

内饰车身模态，在除去前六阶刚体模态之后，前两阶模态频率分别是14.8 Hz和18.3 Hz，分别表现为顶盖的一阶弯曲和顶盖的二阶弯曲。前六阶非零模态频率分别为14.8 Hz、18.3 Hz、20.6 Hz、23.3 Hz、23.9 Hz和24.3 Hz，其中，顶盖的一阶弯曲和二阶弯曲的振型图如图4所示。

(a) 顶盖一阶弯曲(14.8 Hz)

(b) 顶盖二阶弯曲(18.3 Hz)

2.3 讨 论

纯电动客车在行驶过程中，主要受到来自路面对车轮的冲击和电机的振动激励。

1) 路面激励频率受路面质量影响，目前在城市道路及高速公路上，路面激励频率通常在1～3 Hz。

2) 车轮不平衡引起的激励频率低于11 Hz，但是由于该激励分量较小，可忽略。

3) 传动轴引起的激励频率大于40 Hz，该激励的分量较小，可忽略。

4) 驱动电机振动频率与电机极数P、转速n有关。整车使用的驱动电机额定转速n=1 270 r/min，极数P=12，得到低速激励频率f=(n·P/2)/60=127 Hz。

骨架是车身的基础，门窗、内外蒙皮、底盘部件和内外饰件都通过各种方式安装在骨架上，如果骨架的模态偏低，骨架很容易受内外部激励影响,产生共振，所以骨架的模态频率应该避开主要的激振源频率。同时， 内饰车身模态是在骨架的基础上增加了内蒙皮和地板等内饰件，整体的模态频率和振型都发生了变化，特别是一些局部模态，很可能与内外部激振源的频率相同或相近，造成共振。为了避开主要的激振源，要求整车骨架和内饰车身的低阶模态频率应处于3～127 Hz之间。根据上述模态分析可知，整车骨架和内饰车身的低阶模态频率都处在3～127 Hz之间，避开了外界和内部的主要激振源频率，不会引起共振。

3 结束语

通过建立整车模型，对整车骨架和内饰车身分别进行模态分析，得到车身结构容易受外界激励影响的频率范围，并与车身内外部激励进行研究对比，确认车身结构不会发生共振。