基于灵敏度分析的SUV白车身优化设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1 仿真分析及实验验证
1.1 有限元模型的建立 仿真分析所用车身为钣金结构，主要包括前围、地
作者简介：吴 哲（1988-），男，硕士；研究方向：汽车 NVH。
板、侧围、顶盖等四大部分，均为薄板冲压件，各零件之 间的连接装配主要是点焊方式。车身有限元模型应具有 足够的准确性，既能反映实际结构的主要力学特性、结 构的实际状况，又能保证网格质量以提高计算精度。因 此，在对板件进行网格划分前，首先要对几何结构进行 处理，将部分大圆形孔简化为多边形孔，半径小于 5 mm 的孔可忽略不计，删去对整体性能影响不大的小部件， 但保证总体白车身质量与实际质量相差不超过 3%。另 外，如果网格单元数目过多，将对计算机软件和硬件设 备提出更高的要求，要耗费更多的计算时间，而过少将 会导致计算结果精确度降低。本次仿真分析网格单元长 度最短不小于 5 mm，长宽比大于 1：5，四边形各内角大 于 40°小于 140°，三角形各内角大于 30°小于 120°，单元 翘曲度不大于 15°，三角形单元的数量不大于 8%；弹性 模量为 2.1×105 MPa，密度为 7.9×10-9 t/mm3，泊松比为 0.3。按照以上要求，对模型所有零部件都采用板壳单元 进行离散，并尽量采用四边形板壳单元模拟，少量三角 形单元以满足高质量网格的过渡需要；粘胶用实体单元 模拟，焊点采用 CWELD 和 RBE2 单元模拟。本次仿真所 建模型中四边形单元 442 381 个，三角形单元 13 071 个，三角形单元比例 2.9%，具有较高的网格质量。白车
2 灵敏度分析及结构优化
白车身灵敏度计算选择白车身各部分薄壁件的厚 度为模型设计变量。设计时需计算出各部分板厚对白车 身各阶模态频率影响的灵敏度 SFi。为了防止在提升白车 身的动态性能的同时，使白车身总质量显著上升，须同 时考虑各个构件厚度增加引起的整个白车身质量的增 量△M（x），因此，需要同时进行质量灵敏度分析，即分 析 △ M（x）质 量 增 量 对 结 构 修 改 变 量 变 化 的 敏 感 程 度 SM=△M（x）/△x。模态频率灵敏度值大于 0 时，绝对值越 大，说明增加等量的模态频率所需质量越小；模态频率 灵敏度值小于 0 时候，绝对值越大，说明减少相同的质 量可带来较大的频率值的增加[5-7]。通过对模态频率灵 敏度的比较分析，可以有效地权衡各个构件对修改目标
10
客车技术与研究
2014 年 4 月
身有限元模型如图 1 所示。
图 1 白车身有限元模型
1.2 白车身模态分析 利用 Hypermesh 软件中的 Radioss 求解器对白车身
进行无任何约束的自由模态计算，白车身低阶模态（前 四阶）振型图及振型描述如图 2 所示。由于车轮不平衡 引起的激励频率主要在 11 Hz 以下，低于白车身的第一 阶固有频率较多，因此，不会引起白车身共振，计算时可 以不予考虑。而该车的发动机怠速所引起的激励频率是 24 Hz。正常行驶时，激励频率为 200 Hz[4]，显然发动机在 怠速运转时容易引起共振，影响强度、可靠性、使用寿 命、乘坐舒适性等。同时白车身的低阶模态频率反映了 白车身的刚度性能，对车身的刚度都是拿白车身的低阶 模态频率值作为指标，对该值的具体数据范围目前尚无 标准。一般是以竞争对手同类车型作为参照，低阶模态 频率高，则车身刚度会更好。
验时利用具有一定柔软度的橡皮绳将白车身悬挂到吊
架上，将加速度传感器粘到提前选好的 200 个测试点响
应测点上，这些测点能够良好地反映出白车身结构，在
前车头左右大梁对称施加激振力。
通过激振器在上述两激振点处激振，将所使用的激
励为扫频范围为 0 Hz~ 200 Hz 的正弦扫频信号传递到
整个白车身，数据采集系统通过在响应测点处的压电传
次迭代后趋于收敛，计算所得出优化各件的质量灵敏
度、一阶模态灵敏度、初始厚度见表 2。
由表 2 可知，本次优化共选取了 20 个车身结构部
件进行模态灵敏度分析。结果表明，车身组成部件中，不
同部件的厚度改变对白车身模态的影响有较大的区别，
灵敏度绝对值越大，说明该板件对模态的影响越大。当
灵敏度为正时，增加厚度将会提高模态频率值；当灵敏 度为负时，减小厚度将会提高模态频率值。这里侧围及 顶盖的厚度变化对车身刚度影响最大，即灵敏度最大。 对各个板件的厚度进行修改时，修改方案应参照其他性 能要求进行，否则修改结果虽然可能会提高模态频率数 值；但如果修改尺寸后，白车身不能保证其他性能的要 求是不行的，例如白车身中的碰撞吸能区、能量传递区 和乘员保护区等部位影响汽车的碰撞性能。在确定优化 方案过程中，这些部位的汽车板件暂不作厚度修改[11]。 对厚度修改后的模型再次进行模态计算，优化后的前 一、二、三、四阶模态频率分别为厢形振动（27.52 Hz）、扭 转振动（29.48 Hz）、弯曲 + 地板、前段局部振动（37.69 Hz）、扭转、弯曲叠加振动（38.03 Hz）。
表 2 灵敏度计算结果
部件名称
初始厚度 /mm
后顶横梁内加强横梁
0.8
顶盖外板
1.0
顶盖横梁Ⅲ
0.6
右后减振器座加强板
1.2
右后轮罩前内加强板
0.4
四阶：二阶扭转、弯曲叠加 模态（37.05 Hz）
图 2 白车身低阶模态（前四阶）振型图及振型描述
通过参考标杆车型的低阶模态频率，发现标杆车型 的一阶模态为 24.22 Hz、一阶扭转频率为 27.27 Hz、一阶 弯曲频率为 34.08 Hz，前几阶低阶模态的固有频率越高 越好。本次仿真所用车型 S108 白车身的一阶模态的固 有频率为 24.33 Hz，一阶扭转频率为 28.98 Hz，一阶弯曲 频率为 35.36 Hz。可以看出，S108 的低阶模态水平是在 标杆车之上的。由于一阶模态频率与车辆所用发动机怠 速频率（24 Hz）基本重合，故可作为本次仿真的优化部 分重点考虑问题。
第2期 第2期
客车技术与研究 BUS & COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH
No.2 2014
Βιβλιοθήκη Baidu
9
基于灵敏度分析的 SUV 白车身优化设计
吴 哲，龚国庆
（北京信息科技大学 机电工程学院，北京 100192）
摘 要：采用 Hypermesh 软件建立某 SUV 白车身有限元模型，通过 Radioss 对该模型进行自由模态分析计
260 259.5
259 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 迭代次数 / 次
图 3 质量随迭代次数变化的曲线
27.5 27
26.5 26
25.5 25
24.5 24 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 迭代次数 / 次
图 4 一阶模态频率随迭代次数变化的曲线
由图 3 和图 4 可以知道，本次优化计算模型经过 8
一阶：厢形振动（24.33 Hz）
二阶：一阶扭转（28.98 Hz）
1.3 实验验证
为准确获取车身动态特性并验证有限元模型的有
效性，在开发中还需进行模态实验。本次模态实验主要
采用的仪器有模态实验专用吊架、动态信号测试及分析
系统、加速度传感器、力传感器、激振器、信号发射器、功
率放大器、计算机和数据采集系统及模态分析软件。实
Key words: model analysis; Hypermesh; sensitivity; size optimization
汽车白车身模态参数反映白车身结构的基本振动 特性，影响着汽车的强度、可靠性、使用寿命、乘坐舒适 性等。白车身模态为汽车的频率响应分析、NVH 分析等 奠定基础，也是汽车新产品开发结构分析的主要内容之 一[1]。因此，预测汽车的振动特性，对车身的固有频率进 行分析，并通过调整结构参数和改进结构设计以达到避 开激励源频率的目的，是现代车辆设计必不可少的环 节。为了避免汽车行驶过程中在各种激励下，车身结构 发生低阶模态共振，在结构设计过程中应该有效地控制 车身结构的低阶模态参数[2-3]。仿真分析，通过建立白车 身有限元模型，对其进行模态计算，并对低阶模态的振 型进行分析，同时利用实验验证计算模态振型的准确 性；然后根据具体问题提出优化目标及约束条件，对白 车身的灵敏度进行计算，并根据计算结果提出优化方 案，以解决设计初期白车身低阶模态频率不高、车身结 构可能发生低阶模态共振，以及一阶模态频率与发动机 怠速频率耦合的问题。
感器及其它信号采集设备对数据进行采集。所得模态实
验与有限元模态分析结果对比如表 1 所示。由表 1 可
知，仿真结果与实验数据的误差在 5% 以内，低阶整体
模态振型也吻合得非常好，证明该有限元模型能够较准
确地模拟实际结构的整体动力学特性，所建有限元模型
准确可靠。
表 1 模态实验与有限元模态分析结果对比
模态 阶数
1 2 3
4
实验模态 有限元模型 频率 /Hz 频率 /Hz
24.91
24.33
30.05
28.98
36.03
35.36
38.46
37.05
相对 误差 /%
2.4 3.7 1.9
3.8
振型描述
顶盖错动 前端扭摆 一阶扭转 一阶弯曲 + 地板、前端 局部模态
三阶：一阶弯曲 + 地板、前 端局部模态（35.36 Hz）
第2期
吴 哲，龚国庆：基于灵敏度分析的 SUV 白车身优化设计
11
质量 /kg
频率 /Hz
的影响，以选择更有针对性的、更有性价比的构件作为
修改变量进行模型修改。
提高低阶模态的频率将会避免汽车行驶过程中在
路面载荷激励下，车身结构发生低阶模态共振，而本白
车身模型的一阶模态频率与发动机怠速频率耦合，而且
算；利用 Optistruct 对该模型的部分板件进行灵敏度分析，并以计算结果为依据，对白车身进行尺寸优化，
在保证质量基本不变的情况下，提高一阶模态的频率。
关键词：模态分析； Hypermesh； 灵敏度； 尺寸优化
中图分类号：U463.82
文献标志码：A
文章编号：1006-3331（2014）02-0009-04
Optimization Design of a SUV Body-in-white Based on Sensitivity Analysis
Wu Zhe, Gong Guoqing
（School of Electromechanical Engineering, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China）
Abstract：The finite element model of a SUV BIW(body-in-white) is established with software Hypermesh, the free
modals of this FEA model are computed with Radioss. The sensitivity of the model some plates is analyzed with Op-
tistruct, and the size optimization of the BIW is taken based on the calculation results. The target is to improve the
first-order modal frequency under the condition of ensuring the mass nearly no changes.
对于长期行驶于振动环境中的轿车白车身结构，第一阶 固有频率越高，则表示其动刚度越好[8-9]，可见一阶模态
对于白车身模态的重要性。因而希望白车身的第一阶固
有频率在现有基础上能得到进一步提高，同时一阶模态
的提高也会相应引起其他几个低阶模态频率的进一步
提高，可见提高一阶模态频率对于仿真优化的重要性。 本次优化利用 Optistruct 求解器进行灵敏度的计算[10]，
选取了对抗扭和抗弯强度影响较大的空间梁结构和板
类覆盖件壁厚为设计变量，以质量最小为约束条件，将
第一阶模态频率值提高到 27 Hz 以上作为目标函数进
行求解。
优化模型经过计算，得到质量随迭代次数变化的曲
线（图 3）和一阶模态频率随迭代次数变化的曲线（图 4）。
263 262.5
262 261.5
261 260.5
1.1 有限元模型的建立 仿真分析所用车身为钣金结构，主要包括前围、地
作者简介：吴 哲（1988-），男，硕士；研究方向：汽车 NVH。
板、侧围、顶盖等四大部分，均为薄板冲压件，各零件之 间的连接装配主要是点焊方式。车身有限元模型应具有 足够的准确性，既能反映实际结构的主要力学特性、结 构的实际状况，又能保证网格质量以提高计算精度。因 此，在对板件进行网格划分前，首先要对几何结构进行 处理，将部分大圆形孔简化为多边形孔，半径小于 5 mm 的孔可忽略不计，删去对整体性能影响不大的小部件， 但保证总体白车身质量与实际质量相差不超过 3%。另 外，如果网格单元数目过多，将对计算机软件和硬件设 备提出更高的要求，要耗费更多的计算时间，而过少将 会导致计算结果精确度降低。本次仿真分析网格单元长 度最短不小于 5 mm，长宽比大于 1：5，四边形各内角大 于 40°小于 140°，三角形各内角大于 30°小于 120°，单元 翘曲度不大于 15°，三角形单元的数量不大于 8%；弹性 模量为 2.1×105 MPa，密度为 7.9×10-9 t/mm3，泊松比为 0.3。按照以上要求，对模型所有零部件都采用板壳单元 进行离散，并尽量采用四边形板壳单元模拟，少量三角 形单元以满足高质量网格的过渡需要；粘胶用实体单元 模拟，焊点采用 CWELD 和 RBE2 单元模拟。本次仿真所 建模型中四边形单元 442 381 个，三角形单元 13 071 个，三角形单元比例 2.9%，具有较高的网格质量。白车
2 灵敏度分析及结构优化
白车身灵敏度计算选择白车身各部分薄壁件的厚 度为模型设计变量。设计时需计算出各部分板厚对白车 身各阶模态频率影响的灵敏度 SFi。为了防止在提升白车 身的动态性能的同时，使白车身总质量显著上升，须同 时考虑各个构件厚度增加引起的整个白车身质量的增 量△M（x），因此，需要同时进行质量灵敏度分析，即分 析 △ M（x）质 量 增 量 对 结 构 修 改 变 量 变 化 的 敏 感 程 度 SM=△M（x）/△x。模态频率灵敏度值大于 0 时，绝对值越 大，说明增加等量的模态频率所需质量越小；模态频率 灵敏度值小于 0 时候，绝对值越大，说明减少相同的质 量可带来较大的频率值的增加[5-7]。通过对模态频率灵 敏度的比较分析，可以有效地权衡各个构件对修改目标
10
客车技术与研究
2014 年 4 月
身有限元模型如图 1 所示。
图 1 白车身有限元模型
1.2 白车身模态分析 利用 Hypermesh 软件中的 Radioss 求解器对白车身
进行无任何约束的自由模态计算，白车身低阶模态（前 四阶）振型图及振型描述如图 2 所示。由于车轮不平衡 引起的激励频率主要在 11 Hz 以下，低于白车身的第一 阶固有频率较多，因此，不会引起白车身共振，计算时可 以不予考虑。而该车的发动机怠速所引起的激励频率是 24 Hz。正常行驶时，激励频率为 200 Hz[4]，显然发动机在 怠速运转时容易引起共振，影响强度、可靠性、使用寿 命、乘坐舒适性等。同时白车身的低阶模态频率反映了 白车身的刚度性能，对车身的刚度都是拿白车身的低阶 模态频率值作为指标，对该值的具体数据范围目前尚无 标准。一般是以竞争对手同类车型作为参照，低阶模态 频率高，则车身刚度会更好。
验时利用具有一定柔软度的橡皮绳将白车身悬挂到吊
架上，将加速度传感器粘到提前选好的 200 个测试点响
应测点上，这些测点能够良好地反映出白车身结构，在
前车头左右大梁对称施加激振力。
通过激振器在上述两激振点处激振，将所使用的激
励为扫频范围为 0 Hz~ 200 Hz 的正弦扫频信号传递到
整个白车身，数据采集系统通过在响应测点处的压电传
次迭代后趋于收敛，计算所得出优化各件的质量灵敏
度、一阶模态灵敏度、初始厚度见表 2。
由表 2 可知，本次优化共选取了 20 个车身结构部
件进行模态灵敏度分析。结果表明，车身组成部件中，不
同部件的厚度改变对白车身模态的影响有较大的区别，
灵敏度绝对值越大，说明该板件对模态的影响越大。当
灵敏度为正时，增加厚度将会提高模态频率值；当灵敏 度为负时，减小厚度将会提高模态频率值。这里侧围及 顶盖的厚度变化对车身刚度影响最大，即灵敏度最大。 对各个板件的厚度进行修改时，修改方案应参照其他性 能要求进行，否则修改结果虽然可能会提高模态频率数 值；但如果修改尺寸后，白车身不能保证其他性能的要 求是不行的，例如白车身中的碰撞吸能区、能量传递区 和乘员保护区等部位影响汽车的碰撞性能。在确定优化 方案过程中，这些部位的汽车板件暂不作厚度修改[11]。 对厚度修改后的模型再次进行模态计算，优化后的前 一、二、三、四阶模态频率分别为厢形振动（27.52 Hz）、扭 转振动（29.48 Hz）、弯曲 + 地板、前段局部振动（37.69 Hz）、扭转、弯曲叠加振动（38.03 Hz）。
表 2 灵敏度计算结果
部件名称
初始厚度 /mm
后顶横梁内加强横梁
0.8
顶盖外板
1.0
顶盖横梁Ⅲ
0.6
右后减振器座加强板
1.2
右后轮罩前内加强板
0.4
四阶：二阶扭转、弯曲叠加 模态（37.05 Hz）
图 2 白车身低阶模态（前四阶）振型图及振型描述
通过参考标杆车型的低阶模态频率，发现标杆车型 的一阶模态为 24.22 Hz、一阶扭转频率为 27.27 Hz、一阶 弯曲频率为 34.08 Hz，前几阶低阶模态的固有频率越高 越好。本次仿真所用车型 S108 白车身的一阶模态的固 有频率为 24.33 Hz，一阶扭转频率为 28.98 Hz，一阶弯曲 频率为 35.36 Hz。可以看出，S108 的低阶模态水平是在 标杆车之上的。由于一阶模态频率与车辆所用发动机怠 速频率（24 Hz）基本重合，故可作为本次仿真的优化部 分重点考虑问题。
第2期 第2期
客车技术与研究 BUS & COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH
No.2 2014
Βιβλιοθήκη Baidu
9
基于灵敏度分析的 SUV 白车身优化设计
吴 哲，龚国庆
（北京信息科技大学 机电工程学院，北京 100192）
摘 要：采用 Hypermesh 软件建立某 SUV 白车身有限元模型，通过 Radioss 对该模型进行自由模态分析计
260 259.5
259 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 迭代次数 / 次
图 3 质量随迭代次数变化的曲线
27.5 27
26.5 26
25.5 25
24.5 24 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 迭代次数 / 次
图 4 一阶模态频率随迭代次数变化的曲线
由图 3 和图 4 可以知道，本次优化计算模型经过 8
一阶：厢形振动（24.33 Hz）
二阶：一阶扭转（28.98 Hz）
1.3 实验验证
为准确获取车身动态特性并验证有限元模型的有
效性，在开发中还需进行模态实验。本次模态实验主要
采用的仪器有模态实验专用吊架、动态信号测试及分析
系统、加速度传感器、力传感器、激振器、信号发射器、功
率放大器、计算机和数据采集系统及模态分析软件。实
Key words: model analysis; Hypermesh; sensitivity; size optimization
汽车白车身模态参数反映白车身结构的基本振动 特性，影响着汽车的强度、可靠性、使用寿命、乘坐舒适 性等。白车身模态为汽车的频率响应分析、NVH 分析等 奠定基础，也是汽车新产品开发结构分析的主要内容之 一[1]。因此，预测汽车的振动特性，对车身的固有频率进 行分析，并通过调整结构参数和改进结构设计以达到避 开激励源频率的目的，是现代车辆设计必不可少的环 节。为了避免汽车行驶过程中在各种激励下，车身结构 发生低阶模态共振，在结构设计过程中应该有效地控制 车身结构的低阶模态参数[2-3]。仿真分析，通过建立白车 身有限元模型，对其进行模态计算，并对低阶模态的振 型进行分析，同时利用实验验证计算模态振型的准确 性；然后根据具体问题提出优化目标及约束条件，对白 车身的灵敏度进行计算，并根据计算结果提出优化方 案，以解决设计初期白车身低阶模态频率不高、车身结 构可能发生低阶模态共振，以及一阶模态频率与发动机 怠速频率耦合的问题。
感器及其它信号采集设备对数据进行采集。所得模态实
验与有限元模态分析结果对比如表 1 所示。由表 1 可
知，仿真结果与实验数据的误差在 5% 以内，低阶整体
模态振型也吻合得非常好，证明该有限元模型能够较准
确地模拟实际结构的整体动力学特性，所建有限元模型
准确可靠。
表 1 模态实验与有限元模态分析结果对比
模态 阶数
1 2 3
4
实验模态 有限元模型 频率 /Hz 频率 /Hz
24.91
24.33
30.05
28.98
36.03
35.36
38.46
37.05
相对 误差 /%
2.4 3.7 1.9
3.8
振型描述
顶盖错动 前端扭摆 一阶扭转 一阶弯曲 + 地板、前端 局部模态
三阶：一阶弯曲 + 地板、前 端局部模态（35.36 Hz）
第2期
吴 哲，龚国庆：基于灵敏度分析的 SUV 白车身优化设计
11
质量 /kg
频率 /Hz
的影响，以选择更有针对性的、更有性价比的构件作为
修改变量进行模型修改。
提高低阶模态的频率将会避免汽车行驶过程中在
路面载荷激励下，车身结构发生低阶模态共振，而本白
车身模型的一阶模态频率与发动机怠速频率耦合，而且
算；利用 Optistruct 对该模型的部分板件进行灵敏度分析，并以计算结果为依据，对白车身进行尺寸优化，
在保证质量基本不变的情况下，提高一阶模态的频率。
关键词：模态分析； Hypermesh； 灵敏度； 尺寸优化
中图分类号：U463.82
文献标志码：A
文章编号：1006-3331（2014）02-0009-04
Optimization Design of a SUV Body-in-white Based on Sensitivity Analysis
Wu Zhe, Gong Guoqing
（School of Electromechanical Engineering, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China）
Abstract：The finite element model of a SUV BIW(body-in-white) is established with software Hypermesh, the free
modals of this FEA model are computed with Radioss. The sensitivity of the model some plates is analyzed with Op-
tistruct, and the size optimization of the BIW is taken based on the calculation results. The target is to improve the
first-order modal frequency under the condition of ensuring the mass nearly no changes.
对于长期行驶于振动环境中的轿车白车身结构，第一阶 固有频率越高，则表示其动刚度越好[8-9]，可见一阶模态
对于白车身模态的重要性。因而希望白车身的第一阶固
有频率在现有基础上能得到进一步提高，同时一阶模态
的提高也会相应引起其他几个低阶模态频率的进一步
提高，可见提高一阶模态频率对于仿真优化的重要性。 本次优化利用 Optistruct 求解器进行灵敏度的计算[10]，
选取了对抗扭和抗弯强度影响较大的空间梁结构和板
类覆盖件壁厚为设计变量，以质量最小为约束条件，将
第一阶模态频率值提高到 27 Hz 以上作为目标函数进
行求解。
优化模型经过计算，得到质量随迭代次数变化的曲
线（图 3）和一阶模态频率随迭代次数变化的曲线（图 4）。
263 262.5
262 261.5
261 260.5