白车身有限元模态分析方法研究

(长安大学汽车学院 陕西 西安 710064)

一、前言

汽车工业产业在国民经济中起着支柱性作用，并且其飞速发展在很大程度上可以反映出一个国家的工业水平和实力。中国的汽车工业己经有了几十年的发展历程,并且形成了一个相对成熟和完善的工业体系,现阶段我国轿车车身的设计很大一部分都是在满足强度、刚度等相关设计要求的前提下借鉴国外的车型,进行局部修改,设计一款新的车型[1]。

如果要对汽车结构的共振进行避免,使噪音降低,确保汽车的可靠性和安全性,那么就需采用有限元模态分析方法计算的固有频率和相应的振型。通过模态分析的方法可以得到一些能够反映白车身结构振动基本性质的振动系统的模态参数，比如固有频率和模态振型等[2]。这些参数也对汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性、动力性、使用寿命等都有一定的影响，同时其也是分析汽车其他性能的一个很好的基础,新产品开发主要项目就是对白车身进行结构分析,从而为振动系统动态设计以及故障诊断提供依据。车身动态特性分析的设计,目前还是以实车试验为主、计算机仿真分析为补充[3]。

二、有限元模态分析的研究现状

在国外，由于有限元分析软件和计算机技术的条件比较领先，在八十年代就对发动机整体进行了比较全面的CAE分析[4]。但是由于CAE软件发展不成熟，许多研究仍然限于局部的研究，使得模型建立的合理性难以保证。

国内的专家学者对白车身的模态研究也取得了不少进展，通过对白车身的模态分析找出了车身振动的原因，找到最容易超负荷的点或部位，从而在此基础上提出了改进方案，较好的解决了振动和噪声问题[5]。

三、本文研究的主要内容及方法

(一)研究内容

在本研究项目中,对某轿车白车身进行了相应的计算模态分析,并且在几何模型的基础上采用相关标准对其进行了一个有限元的划分,其优点是有限元模型相对所做的简工作化较少,这样就能够很好的反映白车身的一个实际结构,图1为分析流程:

图1 分析流程

(二)研究方法

本课题在振动分析理论的基础上，对白车身进行了模态分析。利用ANSYS软件对白车身进行有限元分析，得到前六阶固有频率以及对应的模态振型。分析仿真结果，为缸盖的优化设计提供理论参考。

四、白车身有限元模态分析

(一)模型的建立

1.CATIA软件画图构建模型

整车效果图如图2所示

图2 整车效果图

2.导入三维模型

在主程序中启动Ansys Workbench，在界面中选择modal双击启动modal模块。

关于生成模型ANSYS为用户提供了下列方法:(1)用ANSYS创建一个实体模型，进行有限元划分;(2)利用直接生成法，创建节点和单元;(3)输入在CAD绘图工具中创建的模型,对其进行单元划分;(4)综合利用上述三种方法建模。

结合实际工程，本文运用第三种方法，即先在CATIA画好车身，再进行导入。

导入三维模型，单击“Geometry”，选择“Import Geometry”。

在CATIA建模后，将其保存为stp格式导入，如图3所示为导入后的车身模型。

图3 导入后的白车身模型

使用ANSYS做模态分析时主要分为六步：

第一步：需要定义材料及数据，包括材料类型密度等，我们缸盖实体的材料是铝合金，所以在ANSYS中选择Aluminum alloy材料。单击工具条中的Engineering Data Source按钮，在面板中列出了一些程序自带的材料库，在需要的材料后打上对号。

第二步：右键点击Geometry选择browse，找到刚才保存的stp格式文件打开。

第三步：右键点击Model选择Edit进入，选择Mesh创建网格划分。

第四步：设置求解模态阶数范围。

第五步：求解右键点击solution选择Solve。

第六步：创建全部模态结果。

(二)调整三维模型属性

选择零件材料:文件导入后界面如图4所示,这时,选择“Geometry”下的“Part”,零件材料属性的调整可以在左下角的“Details of‘Part’”中进行操作。

图4 选择零件材料

五、有限元模态分析结果

(一)模态分析计算

模态分析就是分析结构的固有振动特性，(包括每一阶模态的固有频率、阻尼比和振型)。通过分析固有频率，得到N阶频率的数值以及频率的分布情况，以避免结构发生共振；通过分析振型，直观判断出振幅较大的部位，可以为后面的故障诊断或者优化设计提供依据。

处理阶段完成建模后，在求解模块获得分析结果。ANSYS提供的分析类型有结构分析、热分析、电磁分析、流体分析和祸合场分析等[7]。在模态分析计算之前，需要对模态最大阶数进行设置。本课题研究白车身前六阶模态较为合理。然后进行Solution求解，具体操作，选择“Analysis Settings”，此时在在左下角的“Details of ‘Analysis Settings’”，在“Max Modes to find”处输入相应的值(一般为5或10，如果想要看更多的可以选择相应的数字)，这步可以省略，有默认的阶数，如图5所示：

图5 分析设置

具体操作，如图6所示，选择“Solution”，点击右键，选择“solve”。

图6 进行求解

(二)模态分析求解结果

Results Summary，浏览对话框中的信息，如图7所示:

图7 求解结果

白车身的固有频率与振型如表5.1所示：

表1 白车身的固有频率和振型

下面展示具体的振型，如图8所示：

(a)一阶模态振型 (b)二阶模态振型

(c)三阶模态振型 (d)四阶模态振型

(e)五阶模态振型 (f)六阶模态振型

本章对白车身的模态进行了求解,并展示了结果,并在自由一自由边界条件下进行了模态分析，从而获得了前6阶的模态频率值。从中发现其低阶的振动频率相对优点偏低,不符合要求，这样可能会由发动机引起振动,由此则很可能发生整体共振现象。因此得到结论，该车的刚度是不符合要求的。此外,通过进一步分析,行李箱搁板的局部模态也是不够理想的,存在局部结构不够合理的现象,因此可以对行李箱搁板局部结构进行分别优化。

六、结论

本文利用CATIA建立白车身模型，采用有限元分析软件ANSYS导入了车身模态。通过模态分析结果进而分析车身结构的可靠性，提出可行性建议方案。

论文的工作总结如下：

(1)利用CATIA建立车身模型，运用ANSYS软件，导入车身模型，为求解做好铺垫。

(2)选取适当的网格尺寸和单元类型对几何模型进行网格划分,然后采用有限元分析方法测得白车身的频率响应函数,提取白车身固有频率、主振型。分析白车身动态特性,同时也为白车身结构的优化改进提供依据。

(3)由于白车身实际结构复杂性和本论文有限元建模的不完善，导致白车身固有频率偏低，主振型存在偏差，分析固有频率与理想值的差距并提出改进方案。

【参考文献】

[1]汪成明.轿车白车身模态分析及其优化[D].合肥工业大学,2007.

[2]InternationalConfereneeonVehieleStrueturalMeehanics.FiniteElement APPlieationtoVehieleDesign.1974

[3]赵文杰.某客车车架的动态特性分析及匹配研究[D].合肥工业大学,2013.

[4]赵娴.轿车白车身的有限元分析与研究[D].河北工业大学,2010.

[5]张迎滨.轻型客车白车身有限元建模及动静态特性分析[D].东南大学,2004