基于灵敏度分析的SUV后背门模态分析与优化

温鹏飞，钱 炜

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

基于灵敏度分析的SUV后背门模态分析与优化

温鹏飞，钱 炜

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

采用有限元分析方法，对某公司SUV后背门动态特性进行综合分析及结构优化。并以ANSA软件进行前处理网格划分及建立有限元模型，通过MSC.Nastran软件进行计算，基于Hyperview软件得出结果云图。通过分析与计算，发现其一阶模态频率与发动机转速在1 000 r/min时的激励频率相接近，容易产生共振，导致车内振动噪声过大；为了改善后背门存在的这种现象，需要对其进行结构优化。使用灵敏度分析方法对后背门进行模态灵敏度分析，选出对模态敏感度高的部件，然后对这些部件进行结构优化；对比优化前后的模态和刚度，其值均有所提高，达到了所要求的标准，同时也避免了共振现象的产生。

SUV；后背门；模态；灵敏度分析

车门是汽车的相对独立的开闭部件，可以隔绝车身外部的噪声，缓冲来自外界的冲击力，以确保乘客在使用过程中的舒适性与安全性[1]。而后背门又是所有开闭件当中最大的一个，对于整个车身的强度及NVH等性能也有着比较大的影响。国内对于汽车的侧门等其他部件有较多的研究和投入，而对于后背门的研究则相对较少，也缺少相关的经验。后背门如果设计不当，则会导致其行驶过程中振动过于激烈，密封性及抵抗变形能力差[2]，这样会影响其美观以及车身的整体性能。本文以某款SUV的后背门作为研究对象，建立模态及灵敏度分析模型，对SUV后背门进行模态分析及结构优化，使其模态和刚度都得到提升。

1 构建SUV后背门有限元分析模型

在有限元分析中，要想得到一个精确的分析结果，必须构建一个完整而符合标准的有限元模型。首先，在CATIA中建立后背门的三维模型，将其导入ANSA中，在不影响计算结果的前提下，对模型进行几何清理，便于保证单元质量，提高计算效率[3]。几何清理包含删除多余的线条、重复面以及这些线条和面上残留的多余点、添加丢失的面、去除不必要的倒角、小圆孔、适当的修饰杂乱无章的轮廓线等[4]。根据所研究后背门的几何形状及特点，参照表1有限元模型网格标准，选择合适的单元，进行网格划分，一般选择4节点的quads单元和3节点的trias单元，以4节点单元为主，3节点单元主要是为了满足网格过度需要，以保证网格质量。依据后背门的尺寸大小，采用大小为10 mm的网格单元。然后对板件进行连接装配，采用CWELD和RBE2单元来模拟板件之间点焊和刚性连接，最后得到了比较精准的后背门有限元网格图。

表1 有限元模型网格标准

建立好的后背门有限元模型网格单元数为33 176，节点数为36 110。其中三角形比例为3.8%，符合<5%的要求，如图1和图2所示。SUV后背门的材料参数如表2所示。

图1 后背门正面网格图

图2 后背门反面网格图

材料密度泊松比弹性模量刚7.85E+3kg/m30.3210Gpa

2 SUV后背门模态分析

2.1 模态分析理论

车辆行驶在路面上，不可避免的会受到各种振动激励，无论是来自外界路面等的激励，还是自身发动机等的激励，都会使车身结构产生振动[5]。当车身整体或某些部件的固有频率与这些振源的激励频率相近时，就会导致共振现象发生，车身出现剧烈抖动，并产生较大的噪声，可能导致结构的破坏[6 ]；致使后背门密封不严，出现变形等现象，影响车身整体的NVH性能和美观。所以有必要对后背门进行振动特性分析与结构设计，从而提高汽车的舒适性与可靠性。 模态分析数学模型参见式(1)。根据模态理论[7]

(1)

2.2 模态分析与计算

模态可以反映汽车的NVH性能以及整体刚度。通常用自由边界条件下的模态来评价SUV后背门的动态特性，各阶模态频率和模态振型作为评价模态的主要参数[8]。在ANSA中建立好的有限元模型导入MSC.Nastran中进行求解计算。

在分析实际工程问题时，一般是前几阶低阶模态起主要作用，这是因为低阶模态刚度相对较小，在同样的激励作用下，响应所占的比重较大[9]。因此，基于以上理论结合所分析车型后背门的具体情况，只需要分析前4阶模态。将后背门模型导入Nastran进行计算，开将计算所得结果导入HyperView进行后处理分析，得到后背门的前四阶模态频率及模态振型图，如表3和图3、图6所示。

表3 前4阶模态分析

图3 一阶模态：34.75 Hz(一阶扭转模态)

图4 二阶模态：67.44 Hz(一阶弯曲模态)

图5 三阶模态：81.83 Hz(二阶扭转模态)

图6 四阶模态：100.73 Hz(内外板局部模态)

2.3 结果分析与评价

汽车在正常路面上行驶的情况下，路面对汽车的激励频率一般约为20 Hz[10]；而本文所研究的SUV在发动机转速为1 000转/min时的激振频率为33.35 Hz。

从结果分析可见，后背门的一阶扭转模态频率为34.75 Hz，虽说避开了路面激励频率，但是与发动机的激振频率较接近，容易发生共振，同时会导致车身产生很大的噪声；也反映了后背门局部刚度不足的缺陷。所以需要对后背门进行的改进优化，使其满足模态与刚度要求。

3 对后背门进行灵敏度分析

3.1 灵敏度方法

灵敏度(Sensitivity)是基于系统中物理量的微分关系，来得到响应变量对设计变量的敏感程度的方法[11]。研究与分析一个模型的输出变化对系统参数或周围条件变化的敏感程度的方法[12]。通过灵敏度分析方法进行优化分析，可以快速地找到需要集中优化的部件，再无需对所有部件一一进行优化，这样只需对模型贡献较大的部件进行优化，明确优化目标[13]，也成倍地提高了优化设计效率,降低了设计成本。

3.2 后背门模态灵敏度分析

模态灵敏度分析是以后背门各钣金件的厚度作为设计变量，以一阶扭转模态频率作为响应灵敏度，根据所得的分析数据设计优化方案。表4和表5分别为后背门各部件名称及其一阶扭转模态灵敏度。

表4 后背门各部件名称

表5 SUV后背门各部件灵敏度

根据表5的灵敏度分析结果，确认后背门结构中对后背门一阶扭转模态频率贡献度较大的零部件[14]，确定了模态灵敏度值由高到低的前5个零件进行分析优化，灵敏度柱状图如图7所示。

图7 前5个最高一阶扭转模态灵敏度柱状图

前5个最高一阶扭转模态灵敏度零件如图8所示。

图8 零件图

3.3 对所选取的零件进行优化处理

使用灵敏度方法分析完成之后，对所选取零件进行优化处理，优化处理是根据经验以及所研究车型的具体情况调整零部件厚度，具体调整方案为增加对模态敏感零部件的厚度。各零部件优化前后对比如表6所示。

表6 后背门各零部件厚度优化前后对比

3.4 优化结果

对零部件厚度调整后的后背门模型验证模态及刚度，对比优化前后一阶模态频率及刚度性能指标的变化，如表7所示，适度调整零部件厚度之后，后背门的弯扭刚度及模态都有大幅度的变化，一阶模态频率43.55 Hz,远超出了发动机1 000 r/min时的激励频率33.35 Hz，避免了共振的发生[15]；同时也提升了后背门整体弯扭刚度。

表7 优化前后各性能指标变化对比

4 结束语

建立了SUV后背门的有限元模型，运用有限元分析软件，对后背门进行了模态分析，通过灵敏度分析方法确定了优化方案，并对其进行了结构优化计算，最终使得后背门一阶模态频率提高了25%，扭转刚度提高了0.93%，弯曲刚度提高了4%；既避免了共振现象的发生，又提高了后背门的弯扭刚度，达到了预期的效果，使其综合性能得到了提升；同时也说明了这种优化方案的可行性。这种分析改进方法不仅可以用于后背门的优化设计，还可以用于其它结构的设计分析当中；同时，也可一定程度上节约时间和降低成本。

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Modal Analysis and Optimization of a SUV Hatchback Door Based on Sensitivity Analysis

WEN Pengfei，QIAN Wei

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai 200093，China)

The comprehensive analysis method for hatchback door modal characteristics and structrual optimization of a SUV is investigated by using the way of the Finite Element Method.The FEA model of SUV hatchback door is established by ANSA,calculated by MSC Nastran and post-processed by Hyperview software. Through the analysis and calculation, it is found that the first mode frequency is close to the excitation frequency of the engine when the engine speed is 1000r/min. It is easy to produce resonance imaging, leading to excessive vibration noise in the car. In order to improve the existence of the back door of this phenomenon, it is necessary to optimize the structure.Meanwhile,the sensitivity analysis method is adopted to run modal sensitivity analysis and optimize structure on the hatchback door.Then compare the modal and stiffness before and after optimization.The value of the modal and stiffness is improved and meet the qualification. At the same time, the resonance phenomenon is avoided.

SUV；hatchback door；modal；sensitivity analysis

2016- 03- 23

温鹏飞(1989-)，男，硕士研究生。研究方向：车身轻量化。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.039

TP391.9；PU463

A

1007-7820(2017)01-143-04