某纯电动汽车后背门模态分析与试验

陈磊 谭雨点

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門自由模态仿真分析方法 在Hypermesh软件中进行网格划分和仿真模型搭建 采用Nastran软件进行求解计算 利用Hyperview软件查看结果云图。通过对比仿真分析结果和试验结果 可知其前三阶弹性模态误差均在5%以内 充分证明了此后背门仿真模型的可靠性 该仿真分析模型对新能源电动汽车后背门的结构优化和NVH性能提升均具有指导意义。

关键字：纯电动汽车;后背门;有限元仿真;模态试验

中图分类号：U467.3  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）18-105-03

Abstract： Taking the back door of a pure electric SUV as the research object and using the finite element optimization design theory， a modal simulation analysis method of composite back door was proposed. The mesh was divided and the simulation model was built in the Hypermesh software. The solution was calculated by using MSC. Nastran software， and the result cloud map was viewed by using the Hyperview software. By comparing the simulation analysis results with the test results， it can be seen that the error of the first three modes is within 5%， which fully proves the reliability of the rear door simulation model later on. This simulation analysis model has guiding significance for the structural optimization and NVH performance improvement of the rear door of new energy electric vehicles.

Keywords： Electric vehicle; Back door; Finite element simulation; Modal test

CLC NO.： U467.3  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）18-105-03

引言

纯电动汽车是目前及未来汽车行业的主要发展方向 纯电动汽车在提升动力性、经济性等性能的同时 也需要努力改善整车NVH性能[1]。其中 关于后背门的设计是纯电动汽车NVH性能研究的重要内容。复合材料后背门相对于传统金属后背门 能很好地解决后背门系统的各项性能与轻量化之间的矛盾。复合材料具有许多金属材料无法比拟的优势 比如：密度低、比强度高、比模量大、抗腐蚀性能力强、耐久性能好等。将其应用到纯电动车车身零部件上 不仅可以减轻车身质量 还具有较强的耐抗冲击性能[2]。车身零部件中 后背门尤为关键。如果后背门固有频率过低 则会出现密封不严、局部变形等问题 影响整车的NVH性能。模态分析是了解结构动态特性最直接有效的方法 若模型模态仿真分析结果准确、可靠 在前期开发阶段即可提升整车的NVH性能。因此 本文以某纯电动SUV汽车的后背门为研究对象 利用有限元优化设计理论 提出一种后背门自由模态仿真分析方法 为复合材料后背门结构设计提供方向。

1 复合材料后背门有限元建模

本文研究的后背门是某款纯电动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 X 1323mm X 105mm。此后背门包含内板、外板、钣金加强板等。笔者在前处理软件Hypermesh中建立后背门有限元模型建立 设置完成的自由模态分析工况导入Nastran求解器进行求解。内板、外板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3x3mm;内板和外板之间的胶粘连接用Adhesives单元模拟;钣金加强板与内板之间的螺栓连接用RBE2单元模拟; 最终建立的后背门有限元模型单元总数为190810 节点总数为194768 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13.8kg。 本文主要研究此后背门的自由模态特性 不需要任何约束条件 所建立仿真分析模型如下图1所示。

2 后背门模态分析

2.1 后背门仿真分析

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 所以必须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;Φi为第i阶模态的阵型向量;ωi2为第i阶模态的固有频率;M为质量矩阵。

根据以上理论 利用有限元软件 可以直接对后背门进行网格划分和仿真模型搭建 求解计算后 便可直接查看仿真计算结果。此次对后背门进行自由模态仿真分析 不考虑前6阶刚体模态 前三阶弹性模态振型如图2、图3、图4所示。

2.2 后背门模态试验验证

为了验证后背门有限元模型模态分析的可靠性 采用频响函数法试验方法获取后背门模态参数。试验方案如下：（1）通过胶绳将后背门悬架起来 使其处于自由状态;（2）采用传感器固定不动、力锤移动的方法进行测量 将力锤激励信号和响应信号通过放大器放大后输出到结构动态分析系统LMS Test.Lab 14A中进行分析处理。其前三阶试验模态结果如表1所示 模态阵型如图5、6、7所示。试验得到一阶模态27.8Hz 与仿真结果差异仅为0.1% 而二阶模态误差为4.8% 三阶模态误差3.7% 前三阶模态误差均在5%以内 充分证明了仿真结果的可靠性。

3 结论

本文建立了纯电动SUV汽车复合材料后背门的有限元仿真分析模型 并进行了自由模态仿真分析 得到其前三阶弹性模态;设计了一种频响函数法试验方案 得到此后背门前三阶试验模态;通过对比仿真分析结果和试验结果 前三阶弹性模态误差均在5%以内 验证了此后背门仿真模型的可靠性。

参考文献

[1] 刘孟，陆静，王小龙，王亚运，宋万龙.基于工况传递路径法的后背门振动噪声识别及模态分析[J].科学技术与工程，2015，15（23）：55-58.

[2] 余海燕，徐豪，周辰晓.大学生方程式赛车复合材料单体壳车身优化[J].同济大学学报（自然科学版），2016，44（11）：1729-1734+1748.

[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.