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基于模态分析的汽车后地板结构设计优化分析

作者:admin2014-11-17 11:40阅读:文章来源:未知

       车身结构的振动模态特性是衡量车身品质,反映汽车在使用过程中车身振动特性的重要指标。低阶模态可以反映车身结构的刚度特性,对判断车辆的疲劳耐久性有很好的指导意义,所以提高车身结构低阶模态参数非常有必要。

  本文以车身后地板结构为例,在模态分析的基础上结合实际,基于理论分析前提,对车身结构局部优化进行探讨。结合车身性能和重量设计指标的优化方法,应用稳健性设计方法,并通过有限元模拟计算,平衡重量、成本因素,从产品的选型、材料、结构优化,得出提高汽车局部模态的方法。对车身结构优化有一定的指导意义。

  1模态分析的定义和原理

  车身结构是一个具有低阻尼多自由度系统,模态试验中,频响函数估计、模态验证等环节,都建立在多自由度系统复模态分析理论基础之上。多自由度系统具有与自由度数相等数量的位移形状,这些位移形状称为系统的固有振型,每一振型对应有唯一的固有频率。系统的振动特性可以用固有频率和固有振型来表示。无阻尼自由振动系统的特性分析称为模态分析。 对于刚度差的大型覆盖件,容易在激振源的激励下引起板壳的强迫振动,当激振频率接近车身内外板的固有频率时将发生板壳共振。例如汽车后地板,共振频率在 50-60 H2左右,共振时发生敲鼓式的声音。

  改变材料料厚,可以改变固有振动频率;如果料厚不变,则固有振动频率几乎与板边尺寸的平方成反比。因此,可以通过改变板边尺寸的办法来避免共振。最直接有效的是在板上冲压筋。因为振动波总是朝刚性最差的方向前进,合理的布置筋可以切断振动波。另外一种办法是增加加强件,如果不考虑成本和重量因素,此方法非常有效。增加加强件可以有效提高零件刚度。以上两种方法都可以抑制振动,避免共振。

  无阻尼线性系统的一般运动可以表达为各阶固有振型的线性组合。低阶振型对结构的动力影响大于高阶振型,车身低阶模态频率大致在20-50 H2。由汽车轮胎传递到车身的来自路面的激励及发动机在其悬置上的振动频率等,与车身低阶模态频率很接近。因此,车身设计要非常注重结构低阶模态频率的设计,注意提高车身整体的刚度和部件的刚度,通过设计优化,使车身子系统的模态频率避开激励频率,以防止共振。

  2车身结构优化实例

  2.1后地板周边结构介绍

  车身内部有接口和后地板前段搭接,后面和尾端板连接以及左右轮罩相连,外部由备胎和随车工具组成。

  后地板大而薄,非常容易出现局部模态。而局部模态不仅会引起共振,而且在耐久工况后地板会出现开裂的现象。当样车经过物理验证发现开裂之后,由于受现有结构和模具的限制,需要花费大量的时间和成本来解决问题。如果前期对此区域进行结构优化,将模态提升至30 Hz以上,避免共振,可以有效降低开裂概率。

  2. 2优化方法

  汽车后地板结构的设计,可采用稳健性设计方法。在项目前期开发阶段,结合竞争车型的结构和新制造技术可行性的研究,选择合适的方案。经过几轮普氏分析,结合项目实际布置情况以铁制冲压工艺为基础,以局部模态为约束条件,对后地板进行设计优化。

  由模态分析原理和影响因素,以材料料厚、加强筋的形式和深度以及后地板和五号梁的加强件为控制因子,以料厚公差为噪声因子,建立模态/重量的输出正交试验列表。

  以后地板的局部模态和重量为设计目标,按正交列表给出的因子组合情况进行CAE模拟计算分析。

  3结果分析

  为了明确各变量对后地板模态和重量的影响程度,进行方差分析,计算设计变量不同水平的各种组合在噪声因子影响下的信噪比和输出平均值,输出点图,找到最优组合。信噪比(SlN)是测量需要的输出响应和非需要的输出响应之比,它是稳健性的相对衡量,其计算公式如下4结论

  (1)根据模态分析定义和原理以及薄板振动理论,找出影响大覆盖件局部低阶模态的主要因素,从而有针对性地进行结构优化。

  (2)结构设计优化转化为性能指标,并结合重量和成本因素定义出合理的目标函数,以实际制造为约束条件,得出优化设计的思路。

  (3)以后地板机构为例,应用稳健性设计方法,应用CAE模拟分析手段,进行结果分析和验证。

  上述车身后地板的优化设计理论和方法,为车身结构的设计优化提供了一种思路,对车身结构的局部模态优化有一定的指导意义。

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