某纯电动SUV复合材料后背门模态分析与优化

陈磊 董华东

摘要：以某纯电动SUV汽车的后背门为研究对象，利用有限元优化设计理论，提出一种复合材料后背门模态仿真分析方法，在Hypermesh软件中进行网格划分和仿真模型搭建，采用MSC.Nastran软件进行求解计算，利用Hyperview软件查看结果云图。通过分析其Trimmed模态，提出三种优化方案进行结构优化，保证质量不增加的前提下，使后背门第一阶弯曲模态提升至25.3Hz，达到设计目标，为后期纯电动汽车后背门优化设计提供指导。

Abstract： Taking the tailgate of a pure electric SUV as the research object， using the FEM optimization design theory， a modal simulation analysis method of composite tailgate is proposed. HyperMesh software is used to mesh and build the model MSC.Nastran Software to calculate， based on the Hyperview software to get the results of the cloud. Based on the analysis of trimmed mode， a variety of optimization schemes are proposed to optimize the structure. Under the premise of ensuring the weight does not increase， the first bending mode of tailgate is raised to 25.3Hz， achieving the expected goal， which provides guidance for the optimization design of pure electric tailgate in the later stage.

关键词：纯电动汽车;后背门;有限元;Trimmed模态;轻量化

Key words： electric vehicle;tailgate;finite element;trimmed mode;lightweight

中图分类号：U469.72                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0008-02

0  引言

纯电动汽车是目前及未来汽车行业的主要发展方向，轻量化是纯电动汽车发展的必然选择。其中，关于后背门的设计是纯电动汽车轻量化研究的重要内容。高云凯[1]为提高车门刚度并考虑轻量化的要求，提出以拼焊板车门下沉刚度和质量的多目标优化，利用NSGA-II遗传算法进行寻优，最终得到满足目标的轻量化车门。段端祥[2]以某款纯电动汽车的电池箱体为研究对象，采用T300/5224复合材料进行多方向尺寸优化，优化后使各项性能出现提高，同时重量也大大减轻。目前，国内外后背门有限元仿真分析模型主要是以传统金属后背门为研究对象，尚没有详细的纯电动车复合材料后背门的建模方法。因此，本文以某纯电动SUV汽车复合材料后背门为研究对象，利用有限元软件对其进行Trimmed模态仿真分析。通过对优化方案进行仿真计算，最终得到了满足目标要求的设计方案，且优化后的设计方案相对于原设计方案，质量并没有增加。

1  后背门有限元仿真分析

1.1 后背门有限元建模

所研究的后背门是某纯电动SUV汽车全新开发零件，外板材料为改性聚丙烯PP+EPDM-T30，内板材料为长玻纤增强聚丙烯PP-LGF40，其总成件外观尺寸为805mm ×1323mm×105mm。此后背门包含铰链、内板、外板、风挡玻璃、钣金加强板、缓冲垫、密封胶条、锁体、尾灯、雨刮电机等附件。笔者在前处理软件HyperMesh中建立后背门有限元模型，设置完成的约束模态分析工况导入Nastran求解器进行求解。

铰链、内板、外板、风挡玻璃和钣金加强板均为薄壁件，其长度和宽度方向尺寸远大于厚度方向尺寸，采用壳单元CQUAD4进行离散化，网格单元大小设为3×3mm;当后背门处于关闭状态下，缓冲垫和密封胶条对后背门均具有支撑作用，可通过建立局部坐标系，选择弹簧-阻尼单元CBUSH进行模拟;锁体、尾灯、雨刮电机等附件，不考虑其几何特征，但需要考虑其质量对后背门模态的影响，故选择集中质量单元CONM2代替。

内板和外板、风挡玻璃之间的胶粘连接用Adhesives单元模拟;鈑金加强板与内板之间的螺栓连接用RBE2单元模拟;集中质量单元与安装点之间的连接用RBE3单元模拟。

最终建立的后背门有限元模型单元总数为147172，节点总数为143325，网格质量检查均满足设定的目标值，符合建模规范，模型质量为25.2Kg。

本文主要研究此后背门的模态特性，完全约束车身侧铰链、缓冲垫和密封胶条;锁钩处需要建立局部坐标系;建立后背门Trimmed模型，如图1所示。

1.2 后背门Trimmed模态分析

纯电动汽车由于没有发动机噪声的掩蔽，行驶过程中产生的噪声对驾驶舒适性影响很大。车身振动会使后背门密封不严，出现局部变形等现象，影响整车的NVH性能，所以必須对后背门进行振动特性分析。后背门模态性能与整车NVH性能密切相关，因此，对后背门进行结构设计时，必须满足设定的目标值。根据模态理论[3]

式中，K为刚度矩阵;为第i阶模态的阵型向量;为第i阶模态的固有频率;M为质量矩阵。

在实际工程开发过程中，重点关注前几阶低阶模态，主要由于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，振型更易被外界激励激起，引起共振。基于以上理论，分析得出后背门一阶弯曲模态为23.2Hz，小于设计目标25Hz，仿真结果如图2所示。

2  后背门优化设计及仿真分析

2.1 后背门优化方案

通过后背门Trimmed模态分析结果可知，第1阶弯曲频率为23.2Hz，低于目标值25Hz，振型为后背门整体呈弯曲状态。根据模态振型，判断其薄弱位置出现在后背门中间部位，因此优化方向为通过提高后背门中间部位刚度以提高其第一阶弯曲模态，且需要保证后背门总质量不能增加。主要采取的优化方案如表1所示。（图3-图5）

2.2 优化方案仿真对比分析

针对上述提出的方案进行仿真分析，由于整车质量目标的限制，后背优化方案质量需要尽可能低于原设计方案质量。三种优化方案前3阶模态频率如表2所示，优化方案对应的振型如图6-图8所示。通过对比分析可知，优化方案3在质量未增加的前提下，后背门第一阶弯曲模态由23.2Hz提升至25.3Hz，满足设计目标。

3  结论

本文建立了纯电动SUV复合材料的有限元模型，以后背门Trimmed模态为优化目标，提出了三种优化方案，其中优化方案3在质量未增加的前提下，后背门第一阶弯曲模态由23.3Hz提升至25.3Hz，达到设计目标。优化方案3在量产车上得到体现，在实车验证中，并没有出现异响等NVH问题。

参考文献：

[1]高云凯，申振宇，冯兆玄，李应军.多目标优化在车门轻量化设计中的应用[J].同济大学学报（自然科学版），2017，45（02）：275-280，308.

[2]段端祥，赵晓昱.纯电动汽车碳纤维复合材料电池箱体的铺层设计研究[J].玻璃钢/复合材料，2018（06）：83-88.

[3]邓本波.汽车振动乘坐舒适性的评价方法研究[D].合肥：合肥工业大学，2005.