非承载式SUV白车身结构分析及优化
韩红阳+陈有松+徐颖+王树英
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
Abstract： Taking a new design of the body of bodyonframe 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 bodyonframe type of SUV.
Key words： bodyinwhite； bending stiffness； torsion stiffness； cross section stiffness； sensitivity analysis； modal frequency
0引言
越野車或大型SUV一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三角形单元划分网格，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.
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.
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x，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x，y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PCB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 Hz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.
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 Hz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.
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.[6]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.
经试验，测得竞品车白车身1阶扭转模态为25.9 Hz，1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.
2V91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V91白车身有限元模型，计算V91白车身的自由模态：1阶扭转模态为21.8 Hz，1阶弯曲模态为26.8 Hz，其振型见图6和7.V91原始方案与竞品车结果对比见表3.与竞品车相比，V91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；V91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.
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，但盲目提高厚度不符合项目经济性要求.[78]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种形式，断面形状和尺寸对其断面特性影响很大.[910]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.
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.图 9D柱截面位置示意
5结论
（1）建立竞品车仿真模型，对竞品车进行自由模态试验，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V91 SUV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，对车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阶模态虽然可避开发动机怠速频率，但根据整车VTS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，提升乘坐舒適性.参考文献：
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