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。