74-基于HyperMesh的车身模态分析[1]

基于HyperMesh 的车身模态分析王得刚 赵春雨 闻邦椿(东北大学机械工程与自动化学院 辽宁沈阳 110004)摘要摘要：：应用先进的有限元前后处理软件HyperMesh，采用全新的建模方法，对车身结构进行有限元建模，用MSC.Nastran 软件对模型求解，然后用HyperMesh 对计算结果进行后处理分析。

通过对车身的结构进行有限元模态分析，得到在低频范围内与试验结果基本一致的模态频率和振型，有利于控制车身的固有特性，从而可以对车身设计方案进行全面的评价和改进。

关键词关键词：：HyperMesh；车身；模态分析Modal Analysis of Car-body on the Basis of HyperMeshAbstract ：Adopted a new modeling method, the finite element modal of car-body is established by HyperMesh, which is an advanced preprocess and postprocess software to finite element. The modal is calculated by MSC.Nastran software. Calculated result is post-progressed by HyperMesh. The modal frequency and mode shape can be gained through the modal analysis of the car-body. The result using FEM is consistent with test result in low frequencies, so it can help controlling the inherent performance of the car-body. Consequently, the result can be used in estimating and improving the design project of the car-body.Key words ：HyperMesh ；car-body ；modal analysis1 1 前前言对于实际结构进行模态分析，可从固有频率和振型中得到其发生共振的频率信息和振动形态信息，这对合理地设计车身结构，使其具有良好的动态性能指标，以及解决结构上出现的动态性能缺陷问题具有重要的指导意义。

因此，车身结构模态分析是轿车新产品开发中结构分析的主要内容，尤其是车身结构的低阶弹性模态，它不仅反映了汽车车身的整体刚度性能，而且是控制汽车常规振动的关键指标，应作为汽车新产品开发的强制性考核内容。

与实验模态分析方法不同，有限元等数值模拟技术可以在汽车设计初期预侧车身结构的模态参数、尽可能避免相关设计缺陷、及时修改及优化设什方案，从而大大缩短产品开发周期。

对车身的模态分析可以得到车身的固有频率和振型，发现结构上的薄弱环节并加以改进，模态分析的结果也是对车身进行进一步动力学分析的基础。

通过查阅大量相关参考文献发现，以往的汽车车身有限元建模，车辆乘坐室大多采用三维壳单元（SHELL）表示，驾驶室的梁和柱等采用三维梁单元（BEAM）表示，单元尺寸大多取30～50mm。

本文使用先进的有限元前后处理软件HyperMesh，采用全新的建模方法进行车身有限元建模，获得了较为理想的分析结果。

2 2 有限元前后处理软件有限元前后处理软件HyperMesh HyperMesh有限元分析技术已经发展成为CAE 的核心，而贯穿于产品概念设计、详细设计和制造过程的CAE 仿真技术对提高产品性能、质量起着举足轻重的作用。

作为有限元仿真分析基础的有限元分析前处理技术，有限元网格划分技术和有限元建模技术越来越受到分析人员的重视。

据统计，有限元前处理要占CAE 分析流程80%的时间，且计算分析结果的准确性依赖于网格的质量，因此高性能的前后处理软件可以大大缩短CAE 分析流程的时间及成本。

HyperMesh 是一个功能强大的前后处理平台，是目前应用最广泛的前后处理软件，可与大多数的有限元分析软件搭配使用，如Nastran、ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA 等。

HyperMesh 主要用于汽车行业，它已经成为全球汽车行业的标准配置，几乎所有的整车厂商和大多数配件厂商都在采用它。

同时，HyperMesh 也广泛进入各行各业，如航空航天、通用机械与如用品等行业。

它的优点体现在：具有各种不同的CAD 软件的接口，例如，UG、Pro/E、CATIA、IGES、STEP 等，读入CAD 几何模型的速度与效率较高；配有与各种有限元计算软件（求解器）的接口，为各种有限元求解器写出数据文件及读取不同求解器的结果文件；可实现不同有限元计算软件之间的模型转换功能，这在很大程度上提高了工作效率。

3 3 模态分析的理论基础模态分析的理论基础模态分析的理论基础在进行模态分析时，通常假定物体处于自由状态，即总载荷向量{}()0F t =，当不考虑系统的阻尼时，则无阻尼多自由度系统的自由振动微分方程为：[]{}[]{}0M uK u +=&& （1.1） 式中 []M ——结构的总质量矩阵；[]K ——结构的总刚度矩阵；{}u ——整体坐标下结构的位移向量；{}u&&——整体坐标下结构的加速度向量。

上述方程的解作如下简谐运动：{}{}sin u t φω= （1.2）式中 {}φ——结构的模态形状；ω——结构的圆频率。

系统的特征值方程：[][](){}20K M ωφ−= （1.3） 上式中{}φ要有非零解，必须满足：[][]()20K M ω−= （1.4） 结构的刚度矩阵[]K 和质量矩阵[]M 都是n 阶方阵，其中n 是节点自由度数目，在有振动时，结构中各节点的振幅{}φ不全为零，所以式（1.4）中括号内矩阵行列式之值必须等于零，由此得到结构的固有频率方程，即： [][]20K M ω−= （1.5）或 [][]0K M λ−= （1.6）式中 λ＝2ω。

求解方程可得到一组特征值i λ。

式（1.3）可以改写为： []{}n i M K i i , ,2 ,1 0⋅⋅⋅==−φλ (1.7)n 是刚度矩阵[]K 的维数，也是该结构系统的自由度数。

i λ是第i 个特征值，{}i φ是第其对应的第i 个模态向量。

在通常的有限元分析中，矩阵[]K 和[]M 为实对称矩阵，它们满足正交性，即：{}[]{}{}[]{}{}[]{}{}[]{}20 0 Ti j T j j j T i j Tj j j jM i jM m j K i jK k j m φφφφφφφφω=≠===≠===当第 个的广义质量当第 个的广义刚度 式中 i m ——广义质量；i k ——广义刚度。

结构的刚度矩阵[]K 和质量矩阵[]M 都是n 阶方阵，所以式（1.3）是关于2ω的n 次代数方程，由此可求出结构的n 阶固有频率123n ωωωω≤≤≤≤L （1.8）对于所研究结构的每个固有频率，由式（1.5）可确定出一组各节点的振幅值{}[]12,,T i i in i φφφφ=L ，它们互相之间保持固定的比值，但绝对值可任意变化，它们构成一个向量，称为特征向量，在工程上通常称为结构的固有振型。

4 4 车身有限元模型的建立车身有限元模型的建立车身有限元模型的建立以某汽车为例，在汽车车身几何模型的基础上，建立车身有限元模型。

建立模型的原则是在保证准确反映结构模态特性（包括整体弯曲及扭转刚度等）的前提下进行必要的简化，以获得必要的精度，并尽可能降低计算量与计算复杂性。

一般的承载式车身结构，车门、发动机罩、座椅、保险杠及车身附件等装配在车身焊接总成上，它们对车身整体抗弯及抗扭刚度的贡献可以忽略不计；车身结构件中的小扎、圆角、翻边及凸台等局部结构对车身整体刚度的影响很小，同样可以忽略。

因此，进行分析时主要考虑两个方面零部件，一是空间基本完整闭合的梁类结构件，包括前后纵梁、门槛、门往、窗柱、前后风窗上横梁、门上横梁、前横梁及锁板；二是薄板类内外覆盖件，包括顶盖、地板、轮罩、后挡板、悬挂固定座等。

采用板壳单元来建立有限元模型，具有较高的精度。

通常称作的板壳单元是两种类型的单元。

板的中面为一平面，壳的中面为一曲面。

薄板和薄壳理论都是基于克希霍夫假设，但其变形不同，除了弯曲变形外，还有中面的变形。

与薄板相比，薄壳增加了平面内的内力，即考虑了小挠度情况下薄板忽略的薄膜内力，更加接近结构的真实情况。

因此应用壳单元建模比板单元具有更高的精度。

针对飞机、汽车等长度远远大于厚度的结构件，HyperMesh提供了抽取中面（midsurface）的功能，对板壳等结构件抽取中面，然后在中面上用二维壳单元（PSHELL）进行网格的划分，这样不但能更加准确地逼近几何模型，而且在很大程度上降低了计算量和计算复杂性。

车身单个零件建模流程如图1所示。

带来了较大的困难。

理论上无论再复杂的形状，都可以通过减小单元的边长来得到较好的网格，但为控制单元数量，获得较好的经济性，网格并非越细越好。

随着计算机处理能力的不断提高，其处理速度允许采用更小的单元尺寸进行有限元建模。

查阅相关资料，以往进行类似的车身建模时，单元尺寸一般取30～50mm。

考虑到新型计算机的高处理速度，以及汽车用钢板材料厚度一般在10mm左右，因此，本次计算把单元尺寸设置为10mm，这样就能使有限元模型能够更加精确地逼近真实的实物模型，使得计算结果更加精确。

两个零件焊接前要检查是否存在穿透（penetration）。

如果存在穿透，得到的计算结果会有较大的误差。

焊接时采用“elems-elems”方式，这样对两个单元进行焊接，可以避免因焊接两个节点而造成对网格质量的破环。

一个车身由若干个零件组成，模型的合并是一个复杂的事情。

一般情况下有两种办法：一种是先进行各焊接总成的合并，如侧围、地板等，各个总成合并完成后，再进行车身的合并。

此种办法比较简单，而且焊接顺序可以结合车间的焊接顺序进行，比较容易理解。

另一种办法是将所有的模型全部读入，然后依次将各个零件进行焊接。

按照此种办法，需要对车身结构和焊接非常了解，连接过程中经常会遗漏部分焊点，需要反复几次计算才能全部完成。

本次分析根据需要将车身结构分为十个焊接总成：发动机舱、前地板、后地板、后围板、前围板与下横梁、前围上部总成、左侧围总成、右侧围总成、顶盖、后窗台板。

采用上述第一种方式，首先针对单个零件进行有限元建模，然后合并为各个焊接总成，最后得到车身的有限元模型，如图2所示。