基于模态贡献量诊断法提高副车架结构动刚度方法研究

蒋超，杨宁宁

(1.华晨宝马汽车有限公司技术与质量管理部，辽宁沈阳 110143；2.华晨汽车工程研究院底盘部,辽宁沈阳 110141)



基于模态贡献量诊断法提高副车架结构动刚度方法研究

蒋超1，杨宁宁2

(1.华晨宝马汽车有限公司技术与质量管理部，辽宁沈阳 110143；2.华晨汽车工程研究院底盘部,辽宁沈阳 110141)

摘要：针对某型车底盘开发设计过程中副车架与摆臂前安装点动刚度偏低的问题，建立以副车架为主体的有限元模型，运用模态贡献量诊断方法研究了影响副车架动刚度的主要模态成分，并通过模态分析根据主要模态成分的应变能分布判断影响副车架动刚度的主要区域。通过优化这些区域的结构，最终实现了副车架动刚度的提高，从而达到了目标的要求。

关键词：副车架；动刚度；模态贡献量; 应变能

0引言

针对在某型车底盘开发设计过程中副车架与摆臂前安装点动刚度偏低的问题，建立以副车架为主体的有限元模型，运用模态贡献量诊断方法研究了影响副车架动刚度的主要的模态成分，并通过模态分析根据主要模态成分的应变能分布判断影响副车架动刚度的主要区域，最终实现了副车架动刚度的提高，从而达到了目标的要求。

1副车架动刚度计算

首先采用HyperWorks软件[1]的Hypermesh模块建立副车架结构的有限元模型，采用Optistruct[2]求解器对分析模型进行求解，如图1所示。

基于上述有限元模型计算得到副车架与摆臂前安装点分别在X方向、Y方向、Z方向的动刚度[3]，如图2所示，从仿真结果中可以看出：X方向的动刚度远大于目标值。在50～250 Hz之内，该副车架与摆臂前安装点在Y方向的最小动刚度为5 800 N/mm，发生在频率为225 Hz的位置处，该段附近的动刚度小于目标值6 000 N/mm。同样地，Z方向的动刚度在频率为223 Hz的位置处动刚度最小达到3 200 N/mm，不满足目标值5 000 N/mm的要求。因此，接下来作者首先运用模态贡献量诊断方法研究了影响副车架动刚度的主要模态成分，然后通过模态分析根据主要模态成分的应变能分布判断影响副车架动刚度的主要区域。通过优化这些区域的结构，最终实现了副车架动刚度的提高，从而达到了目标的要求。

2副车架动刚度模态贡献量分析

在副车架与摆臂前安装点动刚度计算中设置模态贡献量[4]参数输出，用于研究影响副车架动刚度的主要模态成分。由图3可知：X方向的最大位移即最小动刚度发生在频率为219 Hz位置处，其中第29阶模态(2 652 Hz)和第2阶模态(226 Hz)的贡献量最大，分别占28%和22%。由于第29阶模态(2 652 Hz)为高阶模态，其振动形式为副车架与摆臂前安装点局部区域本身的振动，可以忽略。由图4可知：Y方向的最大位移即最小动刚度发生在频率为225 Hz位置处，其中第2阶模态(226 Hz)的贡献量最大，占92%。由图5可知：Z方向的最大位移即最小动刚度发生在频率为223 Hz位置处，其中第2阶模态(226 Hz)的贡献量最大，占72%。

综上所述，运用模态贡献量诊断方法可以看出副车架第2阶模态(226 Hz)对副车架与摆臂前安装点的动刚度模态贡献量最大。因此，副车架第2阶模态的应变能分布需要被研究，从而找到影响副车架动刚度的主要区域。通过更改这些区域的结构，最终实现了副车架动刚度的提高，从而达到了目标的要求。

3副车架应变能分布

第2节中运用模态贡献量诊断方法可以看出副车架第2阶模态(226 Hz)对副车架与摆臂前安装点的动刚度模态贡献量最大。因此文中又通过模态分析方法考察了副车架在第2阶模态(226 Hz)的应变能分布，应变能较高的位置变形较大，刚度较低，从而可以通过提高这些位置的刚度来提高副车架整体的动刚度。由图6可以看出：副车架在第2阶模态(226 Hz)有3处应变能较高：第1处为副车架与车身中间连接位置；第2处为副车架后侧拐角位置；第3处为副车架与车身后端连接位置。

4副车架结构优化与改进

通过对副车架与摆臂前安装点动刚度模态贡献量与应变能分布的分析，找到了3处关键区域对副车架动刚度影响较大。因此分别针对这3处区域进行相应的结构优化与改进。第1处为副车架与车身后端连接位置，该位置采用形状优化的方法改变后点的位置；第2处为副车架后侧拐角位置，该位置采用形状优化的方法改变拐角位置局部形状；第3处为副车架与车身中间连接位置，该位置为管状结构，将其厚度作为设计变量。采用HyperWorks软件[1]Optistruct模块综合采用形状优化和尺寸优化2种方法对副车架进行优化分析。设计变量设置如图7所示。分别将摆臂前点Y和Z方向位移最小化即动刚度最大化作为目标，优化迭代过程曲线分别如图8和图9所示。从图8中可以看出：设计变量1和设计变量2与摆臂前点Y方向位移成反比关系，因此副车架与车身后端连接位置向前移动有利于Y方向动刚度提升，副车架后侧拐角向内收缩有利于Y方向动刚度提升。从图9可以看出：设计变量1和设计变量3与摆臂前点Z方向位移成反比关系，因此副车架与车身后端连接位置向前移动有利于Z方向动刚度提升，副车架与车身中间连接位置管状结构厚度增加有利于Z方向动刚度提升。

综合上述结论，最终将副车架摆臂后点向前移动10 mm，副车架后侧拐角位置向内收缩12 mm。优化后的副车架结构在摆臂前安装点的动刚度如图10所示，可以看出：优化后的副车架与摆臂前安装点的动刚度在X、Y、Z3个方向上均满足目标要求。

5结论

建立以副车架为主体的有限元模型，运用模态贡献量诊断方法研究了影响副车架动刚度的主要模态成分，并通过模态分析根据主要模态成分的应变能分布判断影响副车架动刚度的主要区域。通过优化这些区域的结构，最终实现了副车架动刚度的提高，从而达到了目标的要求。

这些结论也可以为今后类似的结构设计提供相应的参考，具有一定的参考价值。

参考文献:

【1】张胜兰.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社,2007.

【2】李楚琳.HyperWorks分析应用实例[M].北京：机械工业出版社,2008.

【3】龚成斌，王存杰，胡礼.基于MSC Nastran的前副车架动刚度分析[J].计算机辅助工程，2013,22(A01):54-56.

【4】宋文,梁跃,高爱军,等.基于模态贡献量法支撑结构振动控制方法[J].鱼雷技术，2015,23(6):439-443.

Research on the Dynamic Stiffness Improvement of the Subframe Based on Modal Participation Diagnosis Method

JIANG Chao1,YANG Ningning2

(1.Technical and Quality Management Section, BMW Brilliance Automotive Ltd., Shenyang Liaoning 110143,China;2.Chassis Section,Brilliance Auto R & D Center, Shenyang Liaoning 110141,China)

Keywords:Subframe; Dynamic stiffness; Modal participation; Strain energy

Abstract:Considering the problem of the lower dynamic stiffness of the connection between the subframe and control arm in the developing process of the vehicle chassis, the finite element model of the the subframe was constructed, and the method of the modal participation diagnosis was applied to research the main mode composition which influenced the dynamic stiffness of the subframe. And then according to the strain energy distribution of the main mode composition, the main areas which influenced the dynamic stiffness of the subframe were researched.By means of optimizing the structure of these areas, the dynamic stiffness of the subframe is improved to the target request.

收稿日期：2016-03-08

作者简介：蒋超(1987—)，本科，助理工程师，研究方向为车辆底盘及动力总成系统相关技术。E-mail:vv518@163.com。

中图分类号:U463.32

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)05-021-05