汽车车门模态分析（初学者）

汽车车门模态分析（初学者）
汽车模态分析
1 前⾔
模态是振动系统特性的⼀种表征，它构成了各种车⾝结构复杂振动的最基本的振动形态。

为了在汽车使⽤中避免共振、降低噪声，需要知道结构振动的固有频率及其相应的振型。

模态分析的最终⽬标是为了得到模态参数，为结构系统的动⼒特性分析、故障诊断和预报以及结构的动⼒特性的优化设计提供依据。

汽车在⾏驶过程中的激励⼀般分为路⾯激励、车轮不平衡激励、发动机激励、传动轴激励。

路⾯激励⼀般由道路条件决定，⽬前在⾼速公路和⼀般城市较好路⾯上，此激励频率多出现在1-3Hz，⼀般对低频振动影响较⼤；因车轮不平衡引起的激励频率⼀般低于11Hz，随着现在轮辋制造质量及检测⽔平的提⾼，此激励分量较⼩，易于避免；发动机引起的激励频率⼀般在23Hz 以上，此激励分量较⼤；城市中⼀般车速控制在50～80Km/h，⾼速公路上⼀般车速控制在 80～120 Km/h，传动轴的不平衡引起的振动的频率范围在40Hz以上，此激励分量较⼩。

由这些外界激振源会引起车门产⽣共振，带来噪⾳，极⼤的降低了车辆的乘坐舒适性，造成扳件的抖动开裂，零部件的疲劳损坏，车门表⾯保护层的破坏，削弱车门的抗腐蚀能⼒等。

因此，为提⾼汽车产品的开发设计⽔平，达到优化设计的⽬标，需要对汽车车门进⾏模态分析，通过有限元计算来得到该结构在不同频率下的振型，避免因共振等原因引起的结构破坏。

2 车门有限元模型
2.1 ⼏何特性
轿车车门⼀般由门外板、门内板、门窗框、门玻璃导槽、门铰链、门锁以及门窗附件等组成。

内门板上有玻璃升降器、门锁附件等。

内板由薄钢板冲压⽽成，其上分布有窝⽳、空洞、加强筋，内板内侧焊有内板加强板。

为了增强安全性，外板内侧⼀般通过防撞杆⽀撑架安装了防撞杆，窗框下装有加强板。

内板与外板通过翻边、粘合、滚焊等⽅式结合。

2.2 有限元模型的建⽴
根据车门的⼏何模型划分⽹格，建⽴有限元模型如图1所⽰。

图1 车门有限元模型
（1）由于车门的主体结构以板材为主，所以在分析中主要采⽤板壳单元pshell来模拟，为了更真实的模拟车门铰链的连接状态，铰链采⽤三维单元psolid 来模拟。

（2）⽹格的划分按照⽩车⾝⽹格划分标准执⾏，每个单元的边长、翘曲度和扭曲度都控制在合理范围内，⽹格⼤⼩为
10mm，单元数量为28753，节点数量为28022，其中三⾓形单元数量为780。

（3）材料和厚度的定义
根据车⾝明细表输⼊厚度，材料参数，在模态计算中，⼀般只需要定义材料的杨⽒模量，泊松⽐和密度。

（4）车门各部件间通过焊接，刚性连接等⽅式进⾏连接，按照实际情况布置焊点位置。

（5）车门的模态分析包括⾃由模态和⼯作模态两种情况。

分析⾃由模态时，不需要对模型进⾏约束，计算车门在⾃由状态下的模态。

分析⼯作模态时，根据车门的实际⼯作状态，分别在铰链和门锁处进⾏约束，如图2所⽰。

图2 车门⼯作模态约束⽰意图
3 有限元计算、分析与评价
3.1 计算结果
将已经完成前处理的有限元模型导⼊到MSC Nastran中，计算得到其前⼆⼗阶的模态值。

观察后处理的动画，了解车门的整体扭转、弯曲振型以及局部扭转、弯振型，以此获得结构的固有频率。

通过计算得到如下结果：
图3 车门⾃由模态第⼀阶振型
图4 车门⼯作模态第⼀阶振型
表1 车门前四阶⾃由模态参数
表2 车门前四阶⼯作模态参数
3.2 车门低阶弹性
车门低阶弹性模态不仅是控制车门常规振动的关键指标，⽽且反映了车门的整体刚度性能。

根据以上表格，从振型上看：在前四阶模态中包含了整体振型，如整体扭转，整体弯曲等，也出现了局部振型，如内板局部模态，窗框局部模态等。

从频率值上看：该车门模态值较⾼，整体刚度较⾼。

其中⾃由模态的⼀阶弯曲频率值为 41.1Hz，⼯作模态的⼀阶弯曲频率值为44.5Hz。

基于⽬前对汽车车门模态值的评价尚⽆统⼀的指标，按照⼀般性说法，车门的⼀阶固有频率应该避开车轮的不平衡激振、发动机的激振，其整体弯曲和扭转频率⼀般要求⼤于30Hz，因此从有限
元分析结果看来，该车门的模态性能是符合要求的。

4 结论
本⽂结合某轿车车门作为实例，采⽤有限元分析的⽅法，基于MSC.Nastran 软件对该车门的模态进⾏了计算，并对结果作了评价，从总体来看，该车门的模态性能较好。

此外，在进⾏有限元分析的同时还可以做相关的模态试验，将仿真分析与实验相结合，以验证有限元分析结果的准确性，并以此为基础，提出设计上的改进。

车门模态作为开闭件分析研究的⼀部分，还应结合整车模态⼀起考虑，由于不同车型的激励形式是不同的，利⽤试验的⽅法全⾯掌握整车的各种激励频率是才能更好的确认车门的模态性能。