某商用车白车身仿真模态与试验对标

邢建，高志彬，张明，郝大亮，陈守佳

某商用车白车身仿真模态与试验对标

邢建，高志彬*，张明，郝大亮，陈守佳

（青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520）

文章通过对某车型白车身仿真模态与试验模态的对比分析，以试验模态数据为真实数据作参考，对试验与仿真中局部应变能和位移较大位置进行分析并加以改进，优化后的仿真模态参数与试验模态参数基本一致，最终结果符合要求。此方法可缩短研发周期，提高仿真结果的准确性。

白车身；仿真模态；试验模态；优化

引言

随着计算机科学的发展与完善，有限元分析越来越多的应用在了汽车领域。传统动力学分析都是通过建立系统的多自由度数学模型来计算[1]，现如今的有限元分析法是利用数学方法通过计算机程序来模拟真实的物理系统，这种方法高效准确，简单直观。但仿真分析方法与实际情况对比会有一定误差，需进行试验验证，现代试验模态分析是通过振动测试来获取模态参数的过程。通过有限元分析与试验模态分析相结合的方法可以更加有效的解决工程实际问题[2]。

本文对某工程样车分别进行有限元分析和试验模态分析，通过对比仿真结果与试验结果来分析有限元模型的准确性，进而为后期产品优化提供真实数据[3]。

1 有限元模型建立

将白车身数模导入Hypermesh软件中，首先进行几何清理，去掉多余的倒角、圆角以及重复面等[4]，把处理好的模型抽取中面并行网格划分，网格尺寸使用10×10mm的壳单元，采用REB2单元对白车身焊点进行刚性连接模拟，螺栓采用Rigid单元模拟，在控制卡片中添加材料属性。划分后的白车身壳单元数量为132678个，节点数为106523个，建立的白车身3D模型及有限元模型如下图1、2所示。

2 模态分析

将白车身有限元模型导入Nastran求解器中求解，经HyperView后处理软件求得固有频率及振型，计算前5阶分析结果，固有频率分析结果如下表1所示。

图1 白车身3D模型

图2 白车身有限元模型

表1 白车身仿真频率与振型

一阶扭转振型和一阶弯曲振型如下图3、4所示。

图4 白车身一阶弯曲振型

3 白车身模态试验及试验结果

首先建立白车身几何模型，对白车身进行测点，测点选取的要求有：测点的位置能够完全描述白车身形状；相邻测点之间间距在20mm～30mm之间；测点选择车身较平整的位置。根据所选取的测点，将相邻测点用直线连接，在将其连接成构造面，建立整体白车身几何模型。本试验样车共布置了198个测点，白车身几何模型如图5所示。

图5 白车身几何模型

用橡皮绳将试验白车身悬挂在龙门架上，使其处于自由状态，为了保证后期分析结果的准确性，测得龙门架悬挂系统的固有频率为1.81Hz，满足自由模态试验要求[5]。本试验选择设置两个激振器进行激励，激励点位置在白车身地板前部中心点和后部中心点位置。将加速度传感器贴在白车身测点，通过计算机连接并且每次只测量十个测振点，以防止加速度传感器质量过大影响白车身频率测量值。白车身试验图如图6所示。

图6 白车身试验图

本试验通过多次测量取平均数方法来降低随机误差，每次试验激振器激励次数为20次，将各测点传递函数进行平均拟合，计算出试验各阶模态，试验模态参数如下表2所示，弯曲模态和一阶扭转模态如下图7、8所示。

表2 白车身试验频率与振型

图8 试验一阶弯曲模态振型

4 有限元模型优化

商用车白车身仿真模态和试验模态结果误差应在2%范围内。白车身主要激励源包括路面激励和发动机怠速激励。当商用车在公路行驶速度低于120km/h时，路面对车辆的激励频率低于20Hz，而发动机怠速频率在27Hz左右，依据行业标准，白车身一阶模态必须处于22Hz~25Hz以同时避开路面激励频率和发动机怠速频率。通过对比仿真模态和试验模态的各阶振型图，对局部应变能和位移较大位置进行分析，高应变能位置对模态振型影响最大。

表3 修正前、后仿真与试验结果对比

本次优化以白车身结构特点出发，同时考虑实际生产工艺以及企业成本，通过对白车身12组零部件的结构以及质量进行局部优化，并利用Hyperworks软件再次计算仿真模态，得到如表3的修正前、后的仿真和试验结果对比。

5 结论

本文通过试验设计与仿真建模相结合的方法对白车身模态进行计算分析和优化设计，此方法可提高优化结果的准确性，为后期整车的动态设计分析提供了准确的模型。本文试验与仿真相结合的方法可广泛应用于汽车有限元计算中，为结构动态性能测试提供了一定的参考价值。

[1] 孙阳敏,时培成.八自由度人-车-路耦合模型振动分析[J].宿州学院学报,2015,30(03):93-97.

[2] 黄建建,马平,陈爱民,张波.基于PolyMAX方法的加工中心工作台计算模态与实验模态对比分析[J].机床与液压,2010,38(23):91-96.

[3] 马骊凕,朱智民,安占飞,李伟光,姚宾.轿车白车身模态分析[J].振动与冲击,2013,32(21):214-218.

[4] 杨杨,陆森林.车内噪声的数值化分析与降噪设计[J].重庆理工大学学报(自然科学),2016,30(09):26-32.

[5] 陈健,周福庚,袁创.轻型卡车车架模态试验及有限元模拟分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2009,32(S1):131-134.

Simulation Modal and Test Benchmarking of a Commercial Vehicle's Body-in-White

Xing Jian, Gao Zhibin*, Zhang Ming, Hao Daliang, Chen Shoujia

( School of Mechanical & Automotive Engineering Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520 )

Based on the comparative analysis of simulation modal and test modal of a car body-in-white, and taking the test modal data as a reference, the local strain energy and displacement position in the test and simulation are analyzed and improved. The optimized simulation modal parameters are basically consistent with the test modal parameters, and the final results meet the requirements. This method can shorten the development cycle and improve the accuracy of simulation results.

White body; Simulation mode; Test mode; Optimization

U463.82

A

1671-7988(2019)14-135-03

U463.82

A

1671-7988(2019)14-135-03

邢建，硕士，就读于青岛理工大学，主要研究方向为汽车振动与噪声。

高志彬（1969-），男，副教授，博士，研究方向为汽车车内振动噪声控制、信号故障诊断等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.044