基于概念特征模型的轎車白車身模態(tài)優(yōu)化

張 宇 曹友強(qiáng)

(1. 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，重慶 401331； 2. 吉利汽車研究總院，浙江 寧波 3153363)

0 引 言

現(xiàn)代車身結(jié)構(gòu)設(shè)計主要劃分為概念設(shè)計階段、詳細(xì)設(shè)計階段和分析驗(yàn)證階段。 概念車身模型采用梁單元和板殼單元模擬車身結(jié)構(gòu)，簡化了幾何特征，縮減了單元規(guī)模，提高了計算效率。在車身分析驗(yàn)證階段，需要對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的分析計算和優(yōu)化迭代，是一個耗費(fèi)大量人力、物力的過程。因此，利用概念模型計算耗時少、效率高的特點(diǎn)，為詳細(xì)模型提供優(yōu)化參考，可縮短開發(fā)周期。

目前國內(nèi)大量文獻(xiàn)針對車身概念設(shè)計階段的優(yōu)化設(shè)計開展研究。如文獻(xiàn) [1-3]對概念設(shè)計階段車身梁截面形狀和板厚進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)[4]對概念設(shè)計階段車身進(jìn)行了靈敏度分析及優(yōu)化。亦有大量文獻(xiàn)對車身詳細(xì)設(shè)計階段的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究[5-6]。但是，合理運(yùn)用概念車身模型計算優(yōu)勢指導(dǎo)車身詳細(xì)設(shè)計的相關(guān)報道尚不多見。

根據(jù)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，將白車身概念模型與實(shí)車模型同時融入白車身模態(tài)優(yōu)化設(shè)計流程，以期為白車身模態(tài)優(yōu)化提供一種便捷、有效的解決方法。該白車身模態(tài)優(yōu)化設(shè)計流程見圖1。

圖1 白車身模態(tài)優(yōu)化設(shè)計流程Fig. 1 Modal optimization design process of BIW body

1 接頭概念模型精度控制

1.1 接頭分支長度控制

車身接頭結(jié)構(gòu)為車身結(jié)構(gòu)重要組成部分，其剛度對車身結(jié)構(gòu)響應(yīng)有重要影響[7]。接頭分支長度[8]、各分支之間的圓弧過渡區(qū)域[9]對接頭剛度的影響不容忽略。因此準(zhǔn)確截取接頭模型是建立高精度概念車身模型的關(guān)鍵。筆者建立簡化接頭結(jié)構(gòu)模型(圖2)進(jìn)行分支長度計算精度研究。

圖2 簡化接頭結(jié)構(gòu)模型示意Fig. 2 Simplified joint structure model

研究表明[10]，接頭建模的差異顯著體現(xiàn)于車身扭轉(zhuǎn)剛度的計算。為研究接頭分支長度對接頭剛度的影響，采取在接頭各分支端部施加扭矩的方式來模擬扭轉(zhuǎn)計算工況?？紤]結(jié)構(gòu)的對稱性，在接頭結(jié)構(gòu)模型上設(shè)置兩組計算工況(圖1)：

工況1：在左側(cè)水平分支端部施加Z向單位扭矩，其余兩個分支端部施加全位移約束。

工況2：在垂直分支端部施加Z向單位扭矩，其余兩個分支端部施加全位移約束。

計算得到接頭扭轉(zhuǎn)角與分支長度關(guān)系見圖3。由圖3可知，當(dāng)接頭分支長度大于100 mm時，接頭扭轉(zhuǎn)角趨于穩(wěn)定。故為確保模型計算精度，在建立車身概念模型時，接頭各分支截取長度應(yīng)大于100 mm。

圖3 接頭扭轉(zhuǎn)角與分支長度關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship curve between joint branch length and twist angle

1.2 接頭單元結(jié)構(gòu)力學(xué)特性

將圖2中接頭簡化結(jié)構(gòu)模型視為一個單元，則每個分支端具有3個線位移和3個角位移。因此，一個接頭單元具有18個自由度。因線位移影響極小，往往將其忽略，故僅剩下9個相互耦合的角位移。設(shè)接頭單元某一分支施加的扭矩向量為：

M=[MaxMayMaz]T

(1)

則得到對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角向量為：

θ=[θaxθayθaz]T

(2)

式中：下標(biāo)第一個字母為接頭分支編號；下標(biāo)第二個字母為接頭所在局部坐標(biāo)系軸向。

于是可得接頭剛度矩陣方程：

(3)

由于接頭單元各分支相互耦合，故剛度矩陣[K]為對稱矩陣。當(dāng)分別在各分支的局部坐標(biāo)系軸向施加1 N·m扭矩時，則扭矩向量等于單位矩陣。則可得柔度矩陣等于各分支的扭轉(zhuǎn)角矩陣：

(4)

1.3 接頭概念模型建模精度驗(yàn)證

根據(jù)1.1研究結(jié)論，以B柱上接頭為建模對象，在詳細(xì)車身模型上按分支長度L=100 mm截取接頭模型，見圖4(a)。

將接頭詳細(xì)模型各分支截斷處的質(zhì)心連線作為接頭概念模型分支，各分支設(shè)為剛性梁單元。其分支兩端設(shè)立節(jié)點(diǎn)，其中一節(jié)點(diǎn)與接頭單元相鄰的車身梁單元連接，另一節(jié)點(diǎn)與接頭單元中心點(diǎn)通過球鉸連接，并根據(jù)接頭結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，安置一組扭簧單元，每組由3個剛度不相關(guān)、方向相互正交的扭簧單元組成。將接頭詳細(xì)模型的剛度矩陣解耦處理后的特征值矩陣設(shè)為彈簧單元剛度，所得特征向量矩陣即為彈簧單元方向[11]。最終建立的B柱上接頭概念模型見圖4(b)。

圖4 接頭詳細(xì)模型及概念模型Fig. 4 Connector detail model and concept model

計算得到接頭詳細(xì)模型和接頭概念模型在單位扭矩作用下各分支扭轉(zhuǎn)角見表1。由表1可見，各分支扭轉(zhuǎn)角相對誤差低于10%。表明運(yùn)用該方法建立的接頭概念模型具有很好的計算精度，可運(yùn)用于概念車身整體結(jié)構(gòu)建模。

表1 接頭詳細(xì)模型扭轉(zhuǎn)角計算結(jié)果Table 1 Calculation results of the joint detailed model ×10-9 rad

2 概念車身建模及精度驗(yàn)證

車身概念模型建模過程分3步進(jìn)行：

1)構(gòu)建車身框架梁模型。框架梁幾何模型建模主要在既有車身詳細(xì)模型的基礎(chǔ)上抽取特征點(diǎn)，通過特征點(diǎn)構(gòu)造車身梁零件。同時，特征點(diǎn)的坐標(biāo)位置無需十分精確，只需大概的位置，因?yàn)樵诖酥罂梢杂心康牡卣{(diào)整點(diǎn)和線的空間位置。在保證概念模型計算精度的前提下可對框架梁結(jié)構(gòu)模型做如下處理：①將彎曲梁用直梁代替，或者用分段梁代替，如前圍板上橫梁、頂蓋橫梁等;②截面突變的梁結(jié)構(gòu)亦采用分段直梁處理,如車身A柱，B柱等;③忽略焊點(diǎn)位置，使梁截面構(gòu)成封閉線段。

2)構(gòu)建車身覆蓋面板模型。車身框架梁幾何建立好之后，在此基礎(chǔ)上建立頂蓋、地板、塔形支座、輪罩板等覆蓋面板。 在保證概念模型計算精度的前提下可對車身覆蓋面板結(jié)構(gòu)模型做如下處理：①靠得很近的兩個薄板簡化為一個，厚度為該兩個薄板之和;②忽略面板結(jié)構(gòu)上的孔、翻邊、臺階、加強(qiáng)筋等細(xì)微特性;③將小的覆蓋面合成為一個大的面;④取消面與面之間的倒角。

3)基于車身框架梁和覆蓋面板模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，建立車身概念特征模型。

某轎車白車身實(shí)車模型(圖5)約有27.5萬個單元，質(zhì)量為212 kg。建立的車身概念模型(圖6)約有1.3萬個單元，質(zhì)量為203 kg。兩者結(jié)構(gòu)質(zhì)量基本一致，而概念車身模型單元規(guī)模大大縮減，計算效率大幅提升。

圖5 轎車白車身詳細(xì)模型Fig. 5 Detailed model of BIW

圖6 轎車白車身概念模型Fig. 6 Concept model of BIW

車身靜態(tài)彎、扭剛度和低階模態(tài)是NVH性能最重要、最基本的評價指標(biāo)。該型轎車白車身概念特征模型與實(shí)車模型靜態(tài)彎、扭剛度結(jié)果對比見表2，模態(tài)性能結(jié)果對比見表3。

表2 剛度性能計算結(jié)果Table 2 Calculation results of stiffness performance

表3 模態(tài)性能計算結(jié)果Table 3 Calculation results of modal performance

由表2、表3可知，白車身概念模型與實(shí)車模型的靜態(tài)彎、扭剛度及低階固有頻率相對誤差均控制在30%以內(nèi)，說明概念模型具有較好的計算精度。白車身1階模態(tài)頻率與發(fā)動機(jī)怠速2階激勵頻率(約25 Hz)耦合，易導(dǎo)致共振。因此，需要對白車身低階模態(tài)頻率進(jìn)行優(yōu)化。

3 白車身模態(tài)優(yōu)化

3.1 白車身概念模型靈敏度分析

通過對白車身結(jié)構(gòu)模態(tài)靈敏度分析，可以獲知結(jié)構(gòu)對相關(guān)模態(tài)的薄弱區(qū)域，進(jìn)而有針對地改進(jìn)薄弱區(qū)域，提高白車身動態(tài)性能。筆者主要研究車身梁結(jié)構(gòu)、接頭剛度變化對車身模態(tài)的影響，從而找到比較敏感的影響參數(shù)(截面或者接頭)，為概念車身NVH優(yōu)化提供參考。

針對圖6中概念車身模型，將梁結(jié)構(gòu)板厚增加10%，進(jìn)行關(guān)鍵梁靈敏度分析，分析結(jié)果見表4。主要接頭靈敏度分析結(jié)果見表5。

表4 關(guān)鍵梁靈敏度分析Table 4 Key beams sensitivity analysis

表5 主要接頭靈敏度分析Table 5 Key joints sensitivity analysis

3.2 白車身詳細(xì)模型模態(tài)優(yōu)化

由白車身概念模型靈敏度分析結(jié)果可知，尾燈豎梁和C柱上接頭對車身彎扭模態(tài)頻率影響明顯。因此，對尾燈豎梁和C柱上接頭進(jìn)行優(yōu)化可達(dá)到提高NVH性能的目的。因此，將優(yōu)化措施移植于詳細(xì)車型模型：在C柱上接頭添加加強(qiáng)板；將尾燈局部結(jié)構(gòu)板厚由0.8 mm改為1.5 mm；將尾箱橫延長至兩端壁板，以使尾箱局部剛度得到加強(qiáng)。優(yōu)化方案如圖7。

圖7 各部位優(yōu)化方案Fig. 7 Optimization schemes of several compartments

經(jīng)過計算，白車身優(yōu)化前后靜態(tài)彎、扭剛度無明顯變化。模態(tài)性能計算結(jié)果對比見表6。采取優(yōu)化措施后，白車身扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率由26.88 Hz提高到27.90 Hz，避開了發(fā)動機(jī)怠速2階激勵頻率2 Hz以上，達(dá)到避頻目的。同時彎曲模態(tài)頻率提高1.07 Hz。因此，優(yōu)化后，車身NVH性能得到了較好的改善。

表6 車身優(yōu)化前后模態(tài)性能Table 6 Modal performance before and after car body optimization

4 結(jié) 論

1)基于接頭單元力學(xué)特性建立合理的接頭概念模型，并在此基礎(chǔ)上建立的完整白車身概念特征模型可精準(zhǔn)地反映彎、扭剛度及模態(tài)性能。

2)通過白車身概念特征模型的關(guān)鍵梁靈敏度分析和接頭靈敏度分析，可快速識別白車身結(jié)構(gòu)動態(tài)力學(xué)性能薄弱區(qū)域，從而便于快速指導(dǎo)白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3)提出的利用概念模型指導(dǎo)白車身模態(tài)優(yōu)化流程，可應(yīng)用于車身分析驗(yàn)證階段。該流程具有廣泛的工程應(yīng)用價值。