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基于模態(tài)分析的汽車后地板結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化分析論文
車身結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)特性是衡量車身品質(zhì)，反映汽車在使用過程中車身振動特性的重要指標(biāo)。低階模態(tài)可以反映車身結(jié)構(gòu)的剛度特性，對判斷車輛的疲勞耐久性有很好的指導(dǎo)意義，所以提高車身結(jié)構(gòu)低階模態(tài)參數(shù)非常有必要。
本文以車身后地板結(jié)構(gòu)為例，在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上結(jié)合實際，基于理論分析前提，對車身結(jié)構(gòu)局部優(yōu)化進行探討。結(jié)合車身性能和重量設(shè)計指標(biāo)的優(yōu)化方法，應(yīng)用穩(wěn)健性設(shè)計方法，并通過有限元模擬計算，平衡重量、成本因素，從產(chǎn)品的選型、材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得出提高汽車局部模態(tài)的方法。對車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。
1模態(tài)分析的定義和原理
車身結(jié)構(gòu)是一個具有低阻尼多自由度系統(tǒng)，模態(tài)試驗中，頻響函數(shù)估計、模態(tài)驗證等環(huán)節(jié)，都建立在多自由度系統(tǒng)復(fù)模態(tài)分析理論基礎(chǔ)之上。多自由度系統(tǒng)具有與自由度數(shù)相等數(shù)量的位移形狀，這些位移形狀稱為系統(tǒng)的固有振型，每一振型對應(yīng)有唯一的固有頻率。系統(tǒng)的振動特性可以用固有頻率和固有振型來表示。無阻尼自由振動系統(tǒng)的特性分析稱為模態(tài)分析。 對于剛度差的大型覆蓋件，容易在激振源的激勵下引起板殼的強迫振動，當(dāng)激振頻率接近車身內(nèi)外板的固有頻率時將發(fā)生板殼共振。例如汽車后地板，共振頻率在 50-60 H2左右，共振時發(fā)生敲鼓式的聲音。
改變材料料厚，可以改變固有振動頻率;如果料厚不變，則固有振動頻率幾乎與板邊尺寸的平方成反比。因此，可以通過改變板邊尺寸的辦法來避免共振。最直接有效的是在板上沖壓筋。因為振動波總是朝剛性最差的方向前進，合理的布置筋可以切斷振動波。另外一種辦法是增加加強件，如果不考慮成本和重量因素，此方法非常有效。增加加強件可以有效提高零件剛度。以上兩種方法都可以抑制振動，避免共振。
無阻尼線性系統(tǒng)的一般運動可以表達為各階固有振型的線性組合。低階振型對結(jié)構(gòu)的動力影響大于高階振型，車身低階模態(tài)頻率大致在20-50 H2。由汽車輪胎傳遞到車身的來自路面的激勵及發(fā)動機在其懸置上的振動頻率等，與車身低階模態(tài)頻率很接近。因此，車身設(shè)計要非常注重結(jié)構(gòu)低階模態(tài)頻率的設(shè)計，注意提高車身整體的剛度和部件的剛度，通過設(shè)計優(yōu)化，使車身子系統(tǒng)的模態(tài)頻率避開激勵頻率，以防止共振。
2車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化實例
2.1后地板周邊結(jié)構(gòu)介紹
車身內(nèi)部有接口和后地板前段搭接，后面和尾端板連接以及左右輪罩相連，外部由備胎和隨車工具組成。
后地板大而薄，非常容易出現(xiàn)局部模態(tài)。而局部模態(tài)不僅會引起共振，而且在耐久工況后地板會出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。當(dāng)樣車經(jīng)過物理驗證發(fā)現(xiàn)開裂之后，由于受現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和模具的限制，需要花費大量的時間和成本來解決問題。如果前期對此區(qū)域進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將模態(tài)提升至30 Hz以上，避免共振，可以有效降低開裂概率。
2. 2優(yōu)化方法
汽車后地板結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可采用穩(wěn)健性設(shè)計方法。在項目前期開發(fā)階段，結(jié)合競爭車型的結(jié)構(gòu)和新制造技術(shù)可行性的研究，選擇合適的方案。經(jīng)過幾輪普氏分析，結(jié)合項目實際布置情況以鐵制沖壓工藝為基礎(chǔ)，以局部模態(tài)為約束條件，對后地板進行設(shè)計優(yōu)化。
由模態(tài)分析原理和影響因素，以材料料厚、加強筋的形式和深度以及后地板和五號梁的加強件為控制因子，以料厚公差為噪聲因子，建立模態(tài)/重量的輸出正交試驗列表。
以后地板的局部模態(tài)和重量為設(shè)計目標(biāo)，按正交列表給出的因子組合情況進行CAE模擬計算分析。
3結(jié)果分析
為了明確各變量對后地板模態(tài)和重量的影響程度，進行方差分析，計算設(shè)計變量不同水平的各種組合在噪聲因子影響下的信噪比和輸出平均值，輸出點圖，找到最優(yōu)組合。信噪比(SlN)是測量需要的輸出響應(yīng)和非需要的輸出響應(yīng)之比，它是穩(wěn)健性的相對衡量，其計算公式如下4結(jié)論
(1)根據(jù)模態(tài)分析定義和原理以及薄板振動理論，找出影響大覆蓋件局部低階模態(tài)的主要因素，從而有針對性地進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化轉(zhuǎn)化為性能指標(biāo)，并結(jié)合重量和成本因素定義出合理的目標(biāo)函數(shù)，以實際制造為約束條件，得出優(yōu)化設(shè)計的思路。
(3)以后地板機構(gòu)為例，應(yīng)用穩(wěn)健性設(shè)計方法，應(yīng)用CAE模擬分析手段，進行結(jié)果分析和驗證。
上述車身后地板的優(yōu)化設(shè)計理論和方法，為車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化提供了一種思路，對車身結(jié)構(gòu)的局部模態(tài)優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。
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