第26卷第2期2017年4月
计算机辅助工程
Computer Aided Engineering
Vol. 26 No. 2
Apr. 2017
文章编号：l〇〇6 - 0871(2017)02-0028-05
韩红阳，陈有松，徐颖，王树英
(上汽集团商用车技术中心整车集成部，上海200438)
摘要：以某全新开发的SUV非承载式车身为研究对象，建立V91车身有限元模型，并进行模态分 析.为使车身1阶模态满足目标值要求，对车身进行灵敏度分析和截面刚度分析，并提出改进方案.经过优化，车身的1阶弯曲模态提升7. 8%，1阶扭转模态提升25. 7%.研究结果可为企业研发非 承载式SUV车身提供参考.
关键词：白车身；弯曲刚度；扭转刚度；断面刚度；灵敏度分析；模态频率
中图分类号：U463.82 文献标志码：B
Body-in-white structure analysis and optimization on
body-on-frame type of SUV
HAN Hongyang,CHEN Yousong,XU Ying,WANG Shuying (Vehicle Integration Department, S A I C M O T O R C o m m e r c i a l Vehicle Technical Center, Shanghai 200438,China) Abstract：Taking a new design of the body of body-on-frame type of SUV for the research example, the finite element model is built for V91 body and the modal analysis is performed on it. To make the first order mode meet the requirement of target value, the sensitivity and cross section stiffness is analyzed and an improvement scheme is proposed. By optimization, the first order bending mode of vehicle body is increased by 7. 8% and the first order torsion mode is increased by 25. 7%. The research results can provide reference for enterprise to develop body of body-on-frame type of SUV.
Key words ：body-in-white ；bending stiffness ；torsion stiffness ；cross section stiffness ；sensitivity analysis; modal frequency
0引言
越野车或大型SUV —般采用非承载式车身和 承载式车架，车身与车架通过悬置软垫连接.虽然车 架是主要承载部件，但白车身也承担很大一部分载 荷，其作用不能忽略.[1]白车身模态参数表征车身 的固有频率和振动特性，会影响乘坐舒适性，还会对 车身寿命、刚度、强度、可靠性造成影响.[2]白车身 模态是汽车NVH传递函数、动态频率响应的基础，其重要性不容忽视.为避开外部激励和发动机及传 动系统的激励，需在整车开发前期分析和优化白车 身固有频率，保证白车身模态性能满足整车技术规 范要求.[34]本文以全新开发的某非承载式SUV车 身V91为研究对象，首先对竞品车进行模态试验和 有限元仿真对标，以保证有限元建模方法的准确性; 在此基础上，建立V91车身的有限元模型进行自由 模态分析.为使整体模态满足目标值要求，对V91 白车身进行灵敏度和截面刚度分析，并提出优化方
收稿日期=2017-02-06修回日期=2017-03-24
作者简介：韩红阳（1987 —)，男，江苏盐城人，硕士，研究方向为车身轻量化，（E-mail) hanj+ixing@ foxmail. com
第2期韩红阳，等：非承载式SUV白车身结构分析及优化29
案.经过改进，白车身模态性能满足目标值要求.
1竞品车的仿真与试验对标
1.1竞品车车身仿真模型的建立及模态分析
使用HyperMesh前处理软件对竞品车白车身进 行网格划分.车身件大多数是钣金件，一般采用壳单 元模拟.本文采用四边形单元和H角形单元划分网 格，网格的平均尺寸为8 mm.为保证仿真模型和计 算结果精度，对单元质量进行控制，单元质量参数见 表1.膨胀胶和结构胶使用Solid单元模拟，点焊使 用Solid和RBE3单元模拟.
表1网格质量参数
Tab. 1 M e s h quality parameters
最大翘曲角/(°)15
最大长宽比4
最小雅可比0.6
最大单元长度/mm4
三角形最大扭曲角/(。）45
主角形最大比例/%7
最大扭曲角/( ° )45
使用MSC Nastran求解器计算竞品车白车身的 自由模态，由于前6阶为刚体模态，所以计算时没有 考虑[5].经仿真计算：竞品车白车身的1阶扭转模态 为25. 9 Hz，1阶弯曲模态为28. 5 Hz.扭转和弯曲模 态仿真结果分别见图1和2.
图1竞品车1阶扭转模态振型
Fig. 1 Vibration shape of first order torsion m o d e of
b e n
c h m a r k car
1.2模态试验验证
为更全面地表征白车身的振型变化，除3个激 振点外共布置168个测点，对这些测点分别进行^ y和z这3
个方向的振动加速度信号采集.采用多点 激振多点拾振法，同时在白车身和z这3个方 向进行激振和拾振.为减小附加质量的影响、提高测 试精度，使用质量和体积较小的P C B加速度传感器.白车身采用悬吊安装方式，使用橡皮绳在前车颈 处和后部将车身悬吊，悬吊频率为1.5 Hz.白车身 悬吊方式见图3.试验主要研究100 H z以下的低频 模态，采用猝发随机信号激振白车身，其信号采集时 的采样频率为512 Hz，信号平均次数为20次，采样 时间为160 s.
图2竟品车1阶弯曲模态振型
Fig. 2Vibration shape of first order bending m o d e of
b e n
c h m a r k car
图3白车身悬吊方式
Fig. 3 Suspension w a y of body-in-white
通过对3个激振点的自功率谱分析可知，3处 激振点的自功率谱都很均匀，表明其在100 H z内可 以将能量均匀分布，符合要求.3处激振点的自功率 谱密度函数见图4.
excitation points
30
计算机辅助工程2017 年
图5
采集信号的相干系数
Fig. 5
Coherent factors of signals
经试验，测得竞品车白车身1阶扭转模态为 25.9 Hz ，l 阶弯曲模态为28. 5 Hz .将试验测得值与 仿真模态值进行对比，见表2.1阶扭转模态误差为 1.2%，1阶弯曲模型误差为2. 5% .试验与仿真的误 差在5%之内且振型一致，符合工程精度要求.因 此，有限元模型建模及分析方法有效，可以用有限元 模态仿真来代替传统的模态试验.
表2
模态试验与仿真结果对比
Tab. 2
Co m p a r i s o n of m o d a l experiment results with
simulation results
模态试验频率
/Hz
仿真频率
/Hz
相对误差/%
1阶扭转25.926.2 1.201阶弯曲
28.5
29.2
2.50
各测点的传递函数试验数据处理与数据采集同 步进行，每采好一批信号，立即观察其相干性，确保 信号的相干因数在0.85以上.[«所采集信号的相干 因数见图5，试验的信号相干因数大于0. 90，符合要 求.所有测点的响应信号测试完成后，最后再完成白 车身的模态定阶和拟合工作，获得其模态质量、模态
刚度和模态阻尼等模态参数.
1.00
身比无天窗车身扭转刚度低10%〜20%.因此，模 态值有一定程度的降低.由此可知，仿真结果可信， 具有一定的参考价值.
图6 V 91车身1阶扭转模态振型
Fig. 6
Vibration shape of first order torsion m o d e of V 91 bod y
Fig. 7
Vibration shape of first order bending m o d e of V 91 body
表 3 V 91车身原始方案与竞品车结果对比
Tab. 3
Compa r i s o n of original s c h e m e of V 91 b o d y with
b e n
c h m a r k car
模态竞品车频率
/Hz V 91频率/Hz
相对误差/%1阶扭转
26.221.8-16.801阶弯曲
29.2
26.8
-8.20
3 白车身结构分析及优化
2
V 91白车身模态分析
新车开发前期因无实车进行模态试验，只能通
过仿真对白车身模态进行评估.按照竞品车同样的 建模方法和标准，建立V 91白车身有限元模型，计 算V 91白车身的自由模态：1阶扭转模态为21. 8
Hz ，l 阶弯曲模态为26. 8 Hz ，其振型见图6和7. V 91原始方案与竞品车结果对比见表3.与竞品车
相比，V 91的1阶扭转和1阶弯曲分别比竞品车差 16.7%和8. 3% .分析差异原因，竞品车是无天窗车 型，座位数为5座;V 91是全景天窗车型，座位数是 7座，整车尺寸更大，质量更大.研究表明，带天窗车
3.1
灵敏度分析
为提升白车身的1阶扭转模态，项目前期通过 灵敏度分析识别对扭转模态影响较大的零件.本文
选取C 柱以后的零件（排除对碰撞安全和NVH 有 较大影响的顶盖、座椅横梁等零件）料厚作为设计 变量，以白车身1阶扭转模态为约束函数，优化目标 为白车身质量轻.零件编号及其灵敏度排序见图8. 3.2断面刚度分析和优化
灵敏度高的零件1，2和10对扭转模态较敏感， 但育目提高厚度不符合项目经济性要求.p _8]灵敏 度高的零件自身刚度及周边结构搭接的形式对扭转 模态也非常敏感.白车身断面包括开口和闭口 2种
^0$
第2期韩红阳，等：非承载式
SUV 白车身结构分析及优化
31
形式，断面形状和尺寸对其断面特性影响很大.-9^ 综合灵敏度分析及断面刚度因素，本文对D 柱关键 断面进行优化.经对比，优化后的断面截面积增大
26.6%，
最大惯性矩提升32. 7%，
扭转常数提升
1.5% .断面参数对比见表4. D 柱截面位置及优化 前后断面对比分别见图9和10.
a )零件示意图
b )灵敏度贡献率图
图8
灵敏度排序图
Fig. 8
Sensitivity sorting diagram
表4
断面参数对比
Tab. 4
Com p a r i s o n of cross section parameters
参数原断面优化后断面差值
截面积1 088. 0 mm1 2 3
1 377.6 mm226.6%最大惯性矩 5 210 400 mm4 6 911 800 mm432.7%扭转常数
1 496 000 mm41 518 800 mm4 1.5嗲
4 改进方案模态验证
在对车身D 柱和其他接头处进行结构优化后， 重新对白车身自由模态进行计算，结果见表5.优化 后的白车身的1阶弯曲模态为28. 9 Hz ，比原方案提 升7.8%，1阶扭转模态为27.4 Hz ，比原方案提升 25.7%，整体模态值达到目标值要求.参考文献：
suv越野车图9 D 柱截面位置示意
Fig. 9
Schematic diagram of position of D pillar cross section
图10 D 柱断面对比
Fig. 10
Compa r i s o n of D pillar cross sections
表5
优化方案与原方案结果对比表
Tab. 5
Co m p a r i s o n of optimization s c h e m e a n d original s c h e m e
模态
原方案/Hz 优化方案/Hz
相对误差/%
1阶扭转21.827.425.71阶弯曲26.828.97.8
5 结论
(1)
建立竞品车仿真模型，对竞品车进行自
模态试验，将仿真结果与试验模态结果进行对比，验 证建模方法的有效性.在此基础上建立V 91 S U V 白
车身模型，并计算1阶弯曲和扭转模态.
(2) 为使车身1阶模态满足目标值要求，对身进行灵敏度优化及截面刚度分析，在此基础上提 出改进方案并进行验证.经结构优化，白车身1阶弯 曲模态提升7. 8%，1阶扭转模态提升25. 7% .
(3)
优化后白车身整体1阶模态虽然可避开
动机怠速频率，但根据整车V TS 要求，为避免1阶 弯曲模态与1阶扭转模态耦合，应保证两者频率值 至少错开3 Hz .后续将继续对这2阶整体模态进行 优化，以改善整车的NVH 性能，提升乘坐舒适性.
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(编辑武晓英）
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