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某SUV白车身模态分析及优化设计


龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 某 SUV 白车身模态分析及优化设计 作者:王宏宇 来源:《科技创新与应用》2014 年第 15 期 摘 要:文章介绍了某 SUV 车型的白车身模态分析,并针对计算结果对车身结构和布局进 行优化,使整车刚度趋于合理。优化结果显示:优化后结构、刚度更加合理,并且一阶扭转提 高了 4HZ,车身重量减少 1.5KG。 关键词:模态分析;结构优化;有限元分析 前言 现代汽车设计领域,有限元分析得到了广泛的运用。车身作为汽车的关键总成,其力学特 征对整车的动力学特征起关键作用。车身模态分析则关系到整车刚度、常规震动和车身减重。 实践证明对白车身结构进行有限元分析可以提前发现、避免相关的设计缺陷,及时整改、优化 设计。从而缩短开发周期,节约试验费用。 文章通过对白车身的模态分析对设计进行结构优化,使得车身结构局部模态和整体刚度特 征满足模态规划要求。 1 有限元模型 有限元分析基本是利用一组离散化单元组集代替连续体机构进行分析,这种单元组集体称 结构力学模型。车身模型建立原则为能反映车身主要力学结构特征和边界约束条件,其次可考 虑在保证正确性的基础上对模型进行适当的简化。模型建立过程需考虑:模型的简化、网络划 分、材料属性确定、单元选择及模型的连接与装配。为此对模型建立进行了如下处理: 1.1 模型建立采用了基准尺寸为 10mm 的 QUASD4 划分 SHELL 单元,局部采用了大于 3mm 的小尺寸划分,在非关键区域几何过度区少量采用了 TRIA3 单元。TRIA3 单元占总数的 比率小于 5%。 1.2 孔径 6mm~10mm,用方孔代替;孔径大于 10mm,保留孔,孔周围两圈偶数个单 元,其他非重要小孔可忽略。 1.3 翻边至少要划分两排网格,圆角大于 3mm 可以保留,螺栓用 RIGID 或梁连接。 1.4 焊点采用 CWELD/ACM 单元,方向同连接壳单元法向量平行。焊缝则采用 CQUAD4 和 CTRIA3 模拟,对不考察局部应力的情况下,有选择性采用节点重合,并保证网络的几何匹 配。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 根据车身提供的数字模型,最终白车身带玻璃有限元模型单元 547,219,节点 569,580 个,见图 1。其中材料选择见表 1。 表 1 材料属性 2 模态分析 由于汽车上各个系统的相互关联,模态规划就是界定各个系统频率范围的过程,防止产生 共振并提高整车的刚度。车身作为人的载体,直接同人的感受相联系,同时白车身的模态对车 身的贡献达到了 60%以上,对白车身的模态分析则显得至关重要。 汽车行驶时要承受各种外界和内部的激励源的激励,图 2 为激振传递图。 四缸机 750 转左右怠速下激振主频率在 25Hz 和 50Hz。额定功率行驶时 5500*2/60=183 Hz。正常行驶时发动机的激振频率源大于通常的整车模态,但怠速时激振频率和白车身的低 频非常接近,怠速时容易引起车身共振[1]。 悬架的簧下质量为簧上的 1/5~1/10,轮胎刚度是悬架弹簧的 5~10 倍,所以簧下质量的 固有频率比簧上要高 5~10 倍,bounce 和 pitch 这两个频率一般控制在 1Hz~2Hz, bounce 比 pitch 要低 1.2 倍左右,这样与步行时的频率差不多,人体感觉在舒适范围。轮胎不平衡引起的 激励,主要在 11Hz 以下。该激振较小,容易避免。 根据相关文献,汽车在正常路面以低于车速在 150km/h 速度行驶时,路面的激励频率

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