铝合金白车身模态及刚度分析

李洪林，李 勤，吴 昊，霍英妲，李文溢，王东辉

(1.沈阳工业大学 化工装备学院，辽宁 辽阳 111000；2.辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111000)

现代轿车车身普遍采用承载式车身架构。承载式车身由于没有车架，可以减轻整车质量，使整车高度降低，提高汽车的操控性能和燃油经济性。高刚度、轻量化已经成为当今汽车车身设计追求的目标，白车身的轻量化设计可以从结构、材料与工艺3个方面入手。本文即采取了材料轻量化的方式，使用铝合金设计一款白车身。对于白车身比较关注的NVH(Noise，Vibration &Harshness)性能，它对于乘用车来说是至关重要的。车身与其它激励源发生共振、还有噪声的传导不但会大大降低驾驶员的驾驶舒适度，而且长此以往也会对车身的结构性能造成影响，而白车身本身的刚度过低，也会扩大激励源共振的影响。我们在对白车身NVH性能进行研究时主要集中在白车身刚度以及模态分析。汽车刚度的研究主要集中在弯曲刚度以及扭拧刚度两个方面。模态频率研究主要对比白车身低阶模态频率是否会与激励源发生共振。对于上述三个方面的研究，在白车身设计阶段，通常采用CAE仿真模拟分析来进行研究和优化。

有限元分析作为CAE分析的重要组成部分，在其车身工程设计领域发挥着特别重要的作用。有限元分析能够提高车身的设计效率，使整个车身设计过程更加系统和规范[1]。

近年来，部分学者对汽车NVH性能做出了大量研究。李珊[2]等人研究了汽车在高里程行驶下NVH性能的衰减现象，发现在怠速工况下，车内振动加速度随着行驶里程数的增大而增大，车内噪声声压级随着行驶里程的增加先升高后降低。王小留[3]等人采用重量灵敏度分析的方法提升白车身扭转刚度，研究了如何合理分配料厚来提升白车身的扭转刚度。陈海潮[4]等人结合国内100余款、国外80余款乘用车的白车身刚度参数建立了乘用车车身刚度参数数据库，挖掘出了白车身刚度参数的分布规律，提出利用车身外观尺寸设计白车身刚度参数的方法。Vijay Antony John Britto[5]等人综合固有频率、动刚度、结构传递函数和振声传递函数4个方面将整车NVH分解到各个子系统及部件。张守元[6]等通过传递路径分析寻找并提高关键子系统性能来实现整车目标。Juha Plunt[7]通过4个案例阐明了使用传递路径分析提高汽车 NVH 的有效性。解建坤等[8]通过面板声学贡献量的分析来对车身进行结构优化。马天飞等[9]建立了考虑流固耦合作用(FSI)的模型来分析和改进车身NVH。

为实现车身轻量化目的，本文以铝合金以及碳&玻材料设计了一款铝合金白车身，并利用有限元法对其进行分析。对白车身总成结构进行了弯曲刚度、扭拧刚度以及模态分析，并根据有限元分析结果对白车身结构进行设计优化，在保证白车身整体质量的前提下满足其轻量化的目的。

1 工况介绍

本文使用Abaqus对铝合金白车身性能进行有限元模拟测试，选用壳单元建立有限元模型。采用RBE3-CBAR进行焊点模拟，采用RBE3-HEXA对胶接点进行模拟。建成的白车身有限元模型网格尺寸10mm，共有795199个单元，其中四边形单元63200个，共占总数的98.9%，焊点总计23676个。

1.1 静态弯曲工况

弯曲工况的约束点为，左后减震器安装点XYZ方向，右后减震器安装点XZ方向，左前减震器安装点YZ方向，右前减震器安装点Z向。弯曲工况载荷大小为F=1500N，载荷加载位置为门槛梁中部位置，载荷施加方向为Z轴负方向。弯曲工况约束点及载荷设置如图1所示。

图1 弯曲工况加载及约束示意图Fig.1 Schematic diagram of loading and restraint under bending condition

1.2 静态扭转工况

扭转工况的约束点为，左后减震器安装点XYZ向，右后减震器安装点XZ向，防撞梁中间位置Z向。扭转工况载荷加载方式为在左右减震器的两个安装点上施加一个大小为2000N·m的力矩，力的方向沿Z轴方向，作用于两个安装点上的力大小相等方向相反。扭转工况约束及加载方式如图2所示。

图2 扭拧工况加载及约束示意图Fig.2 Schematic diagram of loading and constraint under twist working condition

1.3 模态工况

白车身模态分析时为自由状态，不设置任何载荷和约束。

2 模态分析

汽车在路面上行驶时，能够影响到它的激励源为发动机激励和路面激励，当车身结构与发动机振动频率或是路面振动频率达到同一范围时，便会发生共振，从而影响驾驶员的驾驶感受。

轿车在使用过程中，发动机的工作状态主要有两种，一种是怠速状态，另一种是正常行驶状态。怠速状态即发动机空转耗油，车身制动未行驶的状态，转速范围为550 r/min ～800r/min。轿车正常行驶状态下，发动机转速范围为1500 r/min ～3500r/min[10]。

发动机的振动激励频率为：

(1)

式中，点火阶次为发动机一个完整周期内点火的次数。由于本文所研究的轿车使用的发动机类型为4缸4冲程汽油发动机，所以点火阶次等于2。将怠速转速范围与正常转速范围分别代入式(1)，得到发动机怠速状态和正常行驶状态激励频率范围为18.3Hz～26.6Hz和50.0Hz～116.7Hz。所以白车身前3阶固有频率一般应在27Hz～45Hz[10]。

模态分析结果见表1，白车身第一阶模态处于汽车正常行驶状态的激励范围内。

表1 白车身模态分析Tab.1 modal analysis of BIW

3 刚度分析

3.1 弯曲刚度

弯曲刚度的定义为：

KB=FB/uB

(2)

式中，uB为门槛处的最大垂向位移[10]。白车身弯曲刚度结果如图3所示，模型最大弯曲量为0.35mm。由式(2)可以计算出，白车身的弯曲刚度为8571N/mm。

图3 弯曲刚度计算结果Fig.3 Results of bending stiffness calculation

3.2 扭拧刚度

扭转刚度定义为：

(3)

图4 扭拧刚度计算结果Fig.4 Results of twist stiffness calculation

4 模态设计优化

4.1 固有频率灵敏度分析

本文中的白车身共计12种板材，分别编号为1号～12号，以其板材厚度作为设计参数，除了第一阶模态频率外的其它各阶固有频率作为约束函数且车身总质量不超过1%，计算出白车身各个板材厚度对第一阶扭转固有频率的灵敏度。分析结果如图5所示，由图中可知，2号、4号、5号、9号以及11号板材的厚度对于第一阶模态频率的灵敏度最高，这5个编号所对应的板材分别是右侧围蒙皮、前风窗右侧密封板、后风窗右支撑外板和右轮前罩。

图5 灵敏度分析结果Fig.5 Sensitivity analysis results

4.2 一阶模态优化

根据白车身设计上限范围分别将右侧围蒙皮厚度增加0.3mm，前风窗右侧密封板、后风窗右支撑外板以及右轮前罩厚度增加0.5mm。优化后的模态计算结果见表2，优化后的模型整体模态频率均有一定程度提高，大大提高了白车身的NVH性能[11]。

表2 优化后模态频率 Tab.2 Optimized modal frequency

5 结语

汽车工业发展至今天，NVH性能已经占据了汽车结构设计的主要位置。在保证车辆安全性的同时，驾驶舒适感也是汽车结构设计中追求的重点。汽车结构刚度一方面表征了其安全性能，同时也影响着汽车的NVH性能。汽车结构模态则是影响其NVH性能的关键因素，低阶模态频率很容易与发动机或者路面发生共振，从而导致噪声以及振动。

本文对某铝合金白车身进行了模态以及刚度分析。在模态分析中发现，白车身的第一阶模态频率为25.4Hz，处于发动机运行的激励频率范围内，使白车身的NVH性能大大降低。通过对白车身的板材构件进行灵敏度分析，找出了对铝合金白车身第一阶模态影响最大的5种板材构件，在设计允许的范围内对板材进行增厚，将白车身第一阶模态频率提升至了30.0Hz，避免了白车身会与发动机产生共振的问题。同时本文对铝合金白车身进行了弯曲刚度以及扭拧刚度分析，铝合金白车身的弯曲刚度为8571N/mm，扭拧刚度为22575N·m。