某新能源汽车前舱装饰罩模态分析与优化设计

高发华 贺鑫 汪跃中 董华东 王海峰

摘 要：在某款新能源汽车的设计开发过程中，为满足NVH要求，降低前舱装饰罩与电驱动总成共振风险，文章通过利用CAE软件建立前舱装饰罩有限元模型，并进行模态分析，根据CAE分析结果提出优化方案，再对优化方案进行模态分析，最终保证优化后的前舱装饰罩实现隔声降噪的目标，满足性能要求，为前舱装饰罩的改进和优化设计提供重要依据。

关键词：前舱装饰罩;模态分析;优化设计;CAE

中图分类号：U463.2  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）17-01-04

Modal Analysis and Optimum Design of a New Energy Vehicle

Front Decoration Cover

Gao Fahua， He Xin， Wang Yuezhong， Dong Huadong， Wang Haifeng

（Chery New Energy Automotive Research Institute， Anhui Wuhu 241000）

Abstract： In the design and development process of a new energy vehicle， in order to meet the requirements of NVH and reduce the resonance risk between the front cabin decorative cover and the electric drive assembly， the finite element model of the front cabin decorative cover is established by using CAE software， and the modal analysis is carried out. Based on the results of CAE analysis， the optimization scheme is put forward， and then the modal analysis is carried out to ensure that the optimized front cabin decorative cover achieves sound insulation and noise reduction. The objective is to meet the performance requirements and provide an important basis for improving and optimizing the design of the front cabin decoration hood.

Keywords： Front decoration cover; Modal analysis; Optimum design; CAE

CLC NO.： U463.2  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）17-01-04

前言

前艙装饰罩位于新能源汽车前舱上方，起到美观大方、隔声降噪的作用[1]。为满足NVH要求，避免与电驱动总成发生共振，需要对前舱装饰罩进行模态分析[2]。

本文利用Hypermesh前处理软件建立某款新能源汽车的前舱装饰罩有限元模型，转换格式后导入Nastran软件进行模态分析，再根据HyperView软件考察是否满足设计需求，针对CAE分析结果提出三种优化方案，最终确定能有效降低与前舱装饰罩电驱动总成产生共振风险的最佳方案，满足性能要求，为前舱装饰罩的改进和优化设计提供重要依据。

1 CAE分析

1.1 CAE分析简介

CAE（计算机辅助工程）的优势在于可以在产品设计阶段，通过建立基本的计算机分析模型，对产品进行模态、刚度、强度、疲劳等分析，从而缩短设计周期，降低产品开发成本[3]。

1.2 模态分析理论基础

模态是机械结构的固有振动特性，具有特定的固有频率和振型，与外部激励条件无关[4]。而模态分析作为CAE分析的重要组成部分，亦是考量产品综合性能的重要指标[5]。模态频率响应分析是将n阶自由度系统的运动方程坐标变换一次后，用振型坐标代替原来的有限元节点坐标[6]。将研究对象简化为具有质量、弹性和阻尼的有限元单元弹性系统，其运动方程为[7]：

（1）

其中，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵， 分别为系统的加速度向量、速度向量和位移向量，{R（t）}为激振力向量。

由于模态分析是在无外载荷和无阻尼的情况下求解，因此只需求解自由振动方程[8]，即{R（t）}=0。此时得到系统的无阻尼自由振动微分方程：

（2）

当系统自由振动时，可以分解为一系列简谐振动的叠加，结构的简谐运动方程可以表述为[9]：

（3）

其中，U为各节点振幅，ω为该振型所对应的固有频率， ?为相位角。将（3）代入（2）中，可得：

（4）

当系统发生自由振动时，一定有位移节点，式（4）必然有非零解，即：

（5）

系统的质量矩阵[M]、刚度矩阵[K]是由系统几何结构、系统质量等固有属性决定的。假设系统有n个自由度，则式（5）为关于ω2的n次代数方程，通过设定响应频率，可以求解出n个特征值及特征向量，即对应研究对象的固有频率值和振型。

2 前舱装饰罩模型建立

2.1 建立CAE模型

根据设计部门提供的图1所示的前舱装饰罩实体模型，在Hypermesh前处理软件中进行网格划分[10]，采用四边形壳单元为主，三角形网格过度的单元形态;网格基本尺寸为3mm。共119313个单元，如图2所示。

其中，前舱装饰罩的材料特性参数如表1所示。

2.2 分析工况

模态分析包括自由模态和约束模态，根据实际需求，本文采用约束模态的加载工况，计算前10阶模态，约束前舱装饰罩各个支架车身安装孔全部自由度123456，分析工况如图3所示。

3 仿真计算与结构优化

3.1 Nastran简介

MSC.Nastran由美国MSC公司开发，因其具有标准的输入、输出格式，支持全范围的材料模式、载荷和边界条件，求解精度和运算效率高、可靠性强，分析范围广等优点为广大企业所青睐[11]。

3.2 仿真计算与结果分析

将前舱装饰罩的网格模型转化为bdf文件，然后导入Nastran中进行模态分析，最后将计算生成的op2文件导入HyperView中进行后处理工作，得到前舱装饰罩一阶模态下的位移、应变能如图4、图5所示：

根据图4、图5可知，前舱装饰罩的一阶模态频率为17.67Hz，不满足目标值一阶模态频率≥23Hz的要求，可能会与电驱动总成产生共振，需要进一步优化。

3.3 结构优化

在和设计部门交流讨论后，针对前舱装饰罩模态不符合要求，提出三种结构优化方案。

（1）方案1：局部优化

在保证造型美观的同时，对图2所示的前舱装饰罩上表面进行局部优化，在Hypermesh前处理软件中进行网格划分，建立方案1的前舱装饰罩网格模型，其中以四边形壳单元为主，三角形网格过度的单元形态;网格基本尺寸为3mm。共127450个单元，如图6所示。

将图6所示的方案1前舱装饰罩网格模型转化为bdf文件，然后导入Nastran中进行模态分析，最后将计算生成的op2文件导入HyperView中进行后处理工作，得到分析结果如图7、8所示：

根据图7可知，方案1前舱装饰罩的一阶模态频率为18.93Hz，不满足目标值一阶模态频率≥23Hz的要求，可能会与电驱动总成产生共振;而根据图8应变能云图可知，方案1前舱装饰罩与车身连接的安装孔处存在应力集中现象，需要进一步优化。

（2）方案2：增加两排加强筋

在图6所示的方案1前舱装饰罩网格模型基础上，增加两排加强筋，在Hypermesh前处理软件中进行网格划分，建立方案2的前舱装饰罩网格模型，其中以四边形壳单元为主，三角形网格过度的单元形态;网格基本尺寸为3mm。共127669个单元，如图9所示。

将图9所示的方案2前舱装饰罩网格模型转化为bdf文件，然后导入Nastran中进行模态分析，最后将计算生成的op2文件导入HyperView中进行后处理工作，得到分析结果如图10、11所示：

根据图10、图11可知，方案2前舱装饰罩的一阶模态频率为19.22Hz，不满足目标值一阶模态频率≥23Hz的要求，可能会与电驱动总成产生共振，需要进一步优化。

（3）方案3：增加四排加强筋

在图6所示的方案1前舱装饰罩网格模型基础上，增加四排加强筋，在Hypermesh前处理软件中进行网格划分，建立方案3的前舱装饰罩网格模型，其中以四边形壳单元为主，三角形网格过度的单元形态;网格基本尺寸为3mm。共131280个单元，如图12所示。

将图12所示的方案3前舱装饰罩网格模型转化为bdf文件，然后导入Nastran中进行模态分析，最后将计算生成的op2文件导入HyperView中进行后处理工作，得到分析结果如图13、14所示：

根据图13、图14可知，方案3前舱装饰罩的一阶模态频率为23.06Hz，相对方案1、2明显提升。能有效降低前舱装饰罩与电驱动总成产生共振的风险，满足目标值一阶模态频率≥23Hz的性能要求。

3.4 方案分析结果统计

根据上述分析，将原方案、优化方案1-3的分析结果汇总，如表2所示：

根据表1可知，方案1-3均相对原方案模态频率有所提升，其中方案3模态频率最大，满足目标值一阶模态频率≥23Hz的性能要求，能有效降低与前舱装饰罩电驱动总成产生共振的风险。

4 结论

（1）利用CAE分析建立前舱装饰罩的有限元模型，对

现有前舱装饰罩进行模态分析，发现前舱装饰罩不满足要求，需要进行结构优化。

（2）根据原方案的分析结果，提出三种方案，均相对原方案模态频率有所提升，且方案3最佳，满足性能要求。

（3）通过CAE技术对前舱装饰罩不断优化，最终确定最佳方案，为前舱装饰罩的改进和优化设计提供重要依据。

参考文献

[1] 黄小征，李飞，王帅，郭永奇.某SUV碳纤维发动机盖结构仿真分析[J].汽车工程师，2018（02）：25-28.

[2] 冯怡晨，柴志，呂慧.加强板设计对发动机罩盖模态的影响[J].科技创新与应用，2018（23）：94-96.

[3] 柴山，焦学健，王树凤.CAE技术在汽车产品设计制造中的应用[J].农业装备与车辆工程，2005（09）：33-36.

[4] 赵波.基于CAD/CAE技术的轨道车辆构架强度与模态分析[J].现代信息科技，2018，2（03）：178-179.

[5] 蒋振宇.汽车天窗噪声源介绍和模态分析与优化[J].汽车零部件，2017（09）：28-32.

[6] 张敏.水平轴潮流发电水轮机传动系统动力学特性分析[D].哈尔滨工程大学，2012.

[7] 张劼，谢健，高明，等.基于Nastran的汽车仪表管梁模态分析与优化[J].机电工程技术，2018，47（05）：52-55.

[8] 信轲，张劼，丁伟.基于Nastran的公交车承载式车身模态分析[J].内燃机与配件，2018（21）：53-55.

[9] 周鑫，张冰蔚.基于Nastran的汽车前照灯振动性能分析[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2017，31（01）：55-60.

[10] 黄小征，李飞，王帅，等.某SUV碳纤维发动机盖结构仿真分析[J].汽车工程师，2018（02）：25-28.

[11] 童世伟，白亚鹏，张永生.基于MSC.NASTRAN的一种载货车车架设计[J].汽车实用技术，2016（12）：68-69+77.