基于模态分析的某客车白车身结构改进①

束 元，周 毅，周 鋐

(同济大学汽车学院，上海 201804)

0 引言

车身不但是直接向车内辐射噪声的响应器，而且是传递各种振动、噪声的重要途径.车身为乘员提供了最基本的乘坐环境，驾驶员及乘员的各种NVH(Noise，Vibration，Harshness)感觉都与车身系统有着直接的联系，车身NVH的特性对整车NVH水平有很大影响［1］.因此，车身系统在整车NVH特性的研究中占有很重要的地位.作为一个弹性系统，车身在外界的激励作用下将会产生振动.当外界激振频率与系统固有频率较为接近时会产生共振，振动幅值会被放大.为了汽车获得较好的NVH性能，在设计中需要注意分析其结构系统的动态特性.

某客车在使用过程中发现有严重的共振现象和轰鸣声，为此需要在研究其结构系统的动态特性的基础上改进其车身.

1 有限元模型建立

1.1 白车身有限元模型建立

白车身模型采用Hypermesh进行网格划分，坐标系符合右手定则:以垂直向上为Z向，车辆前进方向反向为X向，Y轴指向前进方向的右侧.模型采用壳单元，包括了四边形和三角形单元.壳单元建立车身模型具有精度高的特点，这主要是由于目前乘用车车身结构以自重轻承载大的壳类结构为主体，大部分构建由钢板冲压而成，更符合有限元壳体单元力学特性.此外壳单元考虑了单元中间面上的平板刚度、弯曲刚度和曲率效应，相比与板、梁单元计算精度更高.板筋件及其他连接件之间采用约束单元RBE模拟.白车身离散为50万个单元，其中四边形单元486856个，三角形单元8786个.板件结构材料为钢铁，杨氏模量为2.1×1011Pa，密度 7800kg/m3，泊松比为 0.3.

计算模态选用Nastran求解器.MSC.NASTAN提供三类求解特征值的方法:

(1)跟踪法

(2)变换法

(3)兰索士法

对于这个模型，采用兰索士法，这种方法对求解非常大的系数矩阵的特征值问题是最有效的［2］.

有限元模型中各部件约束关系是否正常，可以借助模态计算中前6阶刚体模态判断［3］.一般刚体模态频率非常低，接近或等于0.白车身计算频率范围为0～250Hz.

有限元分析模态结果可靠性一般可以通过与试验结果的对比分析的方法验证.对模态而言，主要关心的问题是模态频率和模态振型.表1列出了白车身前6阶模态频率与阵型描述.

表1 前6阶模态频率与阵型描述

1.2 模态试验验证

为了获得白车身的振动参数，采用多点激励多点拾振的方法进行白车身的模态实验.试验测量分析系统由三大部分组成:激振系统，响应数据采集系统，模态数据分析和处理系统.其中试验激振系统包括:(1)LMS SCADASⅢ316的QDAC信号发生模块、功率放大器和激振器;(2)响应采集系统包括PCB模态加速度传感器(灵敏度约为100g/mv)、力传感器和LMS SCADASⅢ SC316W信号放大和智能采集系统;(3)模态分析和处理系统主要是LMS Test.lab的模态分析模块.具体的组成方式如图1所示.

图1 模态试验分析系统模型

为了让测量分析模态能够更清楚全面地反映白车身的振型变化特点，测试点需要能够反映被测部件的基本外形和特征，因此除3个激振点总共布置了249个测试点，对这些个测点分别进行x，y，z三个方向的加速度响应信号的采集.在Testlab中完成测点模型的建立，以及实物结构的测点布置.

被测白车身采用悬吊安装方式，采用弹簧绳进行悬吊，弹簧绳的频率为1～2Hz，根据经验这类白车身的一阶弹性频率约为15Hz，悬吊频率小于一阶弹性频率的1/5，因此这种悬吊方式不会对结果产生影响.悬吊点位于前门拴及后车灯后部.为了避开车身振型的节线，将激励点对角布置在车头和车尾刚度较大处.实验装置如图2所示.

图2 白车身模态实验装置

实验时，用随机信号对结构进行激励，通过分析每个拾振点的响应信号与输入的激励信号，可以获得该点的频响函数.频响函数中包含有全部的模态参数，使用Ploymax法提取这些模态参数.

实验获得的白车身的各阶模态频率同有限元仿真结果比较见表2.

表2 白车身实验结果同仿真结果比较

1.3 数据分析

从表2中可以看出，通过有限元建模仿真得到的模态参数与实验获得的数据十分接近，这说明建立的有限元模型能很好地反映白车身的振动特性.

此外，车身的第一阶固有频率过低，车身整体刚度低，且与后悬架簧下偏频(空载13.223Hz，满载13.909Hz)接近，易产生共振，容易引起车内的振动噪声.

2 改进措施

观察分析白车身的模态振型后发现，其一阶模态为整体扭转，若要提高其第一阶模态的频率需要加强C柱，D柱以及后围四角的结构.

2.1 钣金件方案筛选

根据经验提出以下改进措施:

(1)后围四角加强件加厚至2mm，增加新加强零件(厚度2.5mm)

(2)新侧壁加支撑板(厚度1mm)

(3)C柱、D柱中间板由1.0mm加厚至1.2mm

(4)C柱增加加强板(1mm)

(5)D柱处加横梁

(6)更换板件减震胶(弹性模量1000MPa)

为了控制成本，对上述6个改进措施进行了组合，并进行了仿真计算，得到改进效果如表3所示:

表3 各方案效果比较

具体部件结构如下图3，图4所示:

图3 钣金件方案

图4 后围四角加厚

2.2 CBS件方案筛选

CBS结构件是一种新型的结构加强材料，该材料为发泡材料，施工在车身结构件的空腔中，通过涂装工序后发泡充满空腔，起到提高刚度和强度的作用.该方案是在后门上方两个顶角处及顶盖横梁上添加CBS结构件，共提出了四种方案.

图5 5种CBS件方案

表4为这4种方案的效果比较

表4 4种CBS件方案效果比较

综合考虑上述计算结果，并考虑实际施工的可行性，最终方案确定为:后围角部加强(钣金件加厚，新增钣金件，新增CBS材料)，D柱处加横梁，C柱处加加强板，侧壁加支撑板，更换外板隔振胶.

图6 实车道路试验噪声对比

3 方案验证

为了验证改进方案的有效性，对改进后的白车身进行了模态实验.实验结果如表5所示:

表5 改进前后白车身模态频率对比

改进后白车身第一阶模态频率从12.825Hz提高到了 14.9416Hz.

为了验证结构加强对整车NVH性能提升的效果还对整车进行了实车道路实验，采集了每一排座椅的噪声信号，作为比较对象.实验结果如下图所示:

从实验结果中可以明显看出，采用改进增强后的白车身，车内噪声在各个工况下得到明显改善，车身加强效果明显.

［1］周长路，范子杰，陈宗渝，桂良进.微型客车白车身模态分析［J］.汽车工程，2004，26(1):79 －80.

［2］高云凯，蓝晓理.轿车车身模态修改灵敏度计算分析［J］.汽车工程，2001，23(5):353 －355.

［3］陈栋华，周鋐，易明.轿车车头子系统的结构动力修改［J］.同济大学学报，2004，32(4):513 －516.