基于整車模型的車身開口對角變形動態(tài)仿真研究

曾維和 茍黎剛 程林 尹道志 丁智

摘 要：文章利用虛擬試驗：（Virtual Proving Ground，簡稱VPG）提取的路譜載荷，基于整車模型系統(tǒng)研究了車型1（轎車），車型2（跨界SUV），車型3（中大型SUV）三種典型車型在動載荷激勵下車身開口對角相對變形情況，并將動態(tài)法計算結(jié)果與靜態(tài)工況分析結(jié)果進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明：車型1在比利時路面和共振路面工況下車身開口對角變形量相對較大;基于虛擬路面動載荷激勵法與車輛實際服役工況更接近，計算的開口對角變形量遠(yuǎn)大于靜態(tài)工況的計算結(jié)果;模態(tài)貢獻(xiàn)量分析顯示對車型1，2，3后背門處車身開口對角變形影響最大的模態(tài)頻率分別是14.49Hz，20.48Hz，21.51Hz，模態(tài)貢獻(xiàn)量分析結(jié)果可為進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：整車模型;車身開口;對角變形;動載荷激勵;模態(tài)瞬態(tài)法

中圖分類號：U462.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）04-147-05

Study of Body Openings Diagonal Distortion Dynamic Simulation?Basedon Trimmed Body Model

Zeng Weihe， Gou Ligang， Cheng Lin， Yin Daozhi， Ding Zhi

（?Geely Automobile Research Institute Ningbo Co. Ltd， Zhejiang Ningbo 315336?）

Abstract：?In this paper， Virtual Proving Ground Technology was utilized to obtain roads load. Based on trimmed body model， body openings diagonal distortion of three typical vehicles–a Car， a Crossover SUV and a large SUV was simulated with dynamic road excitation. The body openings diagonal result calculated from dynamic method was also compared with the static load case. The research result indicated that： Body openings diagonal distortion was relatively large of Vehicle 1 under Belgian Pave Road and Resonance Road. Dynamic excitation simulation based on virtual roads load was much closer to actual auto driving conditions compared with static load?case， the body openings diagonal distortion calculated from dynamic method was far greater than static load method. Modal contribution analysis result shown that the most influential modal frequency to tailgate diagonal distortion of Vehicle 1， Vehicle 2， Vehicle 3 respectively was 14.49Hz， 20.48Hz， 21.51Hz. Modal contribution analysis result can also provide reference for further structure optimization and performance improvement.

Keywords： Trimmed body model;?Body openings;?Diagonal distortion; Dynamic load excitation; Modal transient method

CLC NO.： U462.3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）04-147-05

1?引言

異響（Squeak & Rattle）是汽車NVH問題的一項重要內(nèi)容^[1-2]，隨著消費者對汽車產(chǎn)品感知質(zhì)量、乘坐舒適性要求日益嚴(yán)苛，異響問題已成為人們關(guān)注的焦點。為提升產(chǎn)品品質(zhì)，節(jié)約研發(fā)成本，國內(nèi)外研究學(xué)者、企業(yè)工程師們對異響進(jìn)行了大量的分析研究^[3-5]。如俞云云等人^[6]基于Hyperworks SnRD模塊預(yù)測評估主副儀表板在鵝卵石路面載荷激勵下發(fā)生尖叫異響的風(fēng)險概率，并經(jīng)模態(tài)貢獻(xiàn)量分析，指導(dǎo)主副儀表板進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計;Jens Weber等人^[7]發(fā)明了一種E_Line方法-基于時域動載荷激勵，使用模態(tài)瞬態(tài)法計算內(nèi)飾相鄰零部件分縫位置相對位移隨時間響應(yīng)，仿真分析主儀表板發(fā)生Squeak & Rattle的風(fēng)險，并通過試驗校核測試，驗證了該方法的準(zhǔn)確性和有效性。

Ford汽車公司根據(jù)新車異響問題抱怨率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)^[8]：開口對角變形作為評價車身堅固性的一項性能指標(biāo)，車身扭轉(zhuǎn)剛度與NVH舒適性相關(guān)，異響問題抱怨率與車身開口對角變形強相關(guān)，開口變形越小，剛度越高，抱怨率會下降。車身開口對角變形過大，設(shè)計研發(fā)初期不加以控制，在實車上驗證階段可能出現(xiàn)下列問題：開閉件與車身之間敲擊異響（Rattle）;密封條與車身間相互摩擦擠壓導(dǎo)致尖叫異響（squeak）;車門密封不嚴(yán)，車內(nèi)噪聲增大，NVH問題顯著，嚴(yán)重影響客戶體驗和乘客舒適性。因此，關(guān)注車身開口變形并加以控制對提升產(chǎn)品品質(zhì)，規(guī)避NVH異響問題具有現(xiàn)實意義。福特汽車E. Y. Kuo等人對出現(xiàn)異響問題的車輛故障原因進(jìn)行過分析統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)^[9]：55%與車身開口對角變形有關(guān)，在汽車研發(fā)設(shè)計早期階段對開口對角變形性能指標(biāo)加以關(guān)注和控制，可以降低車型上市后異響問題抱怨率，能規(guī)避尾門門鎖處敲擊異響問題^[10]。E. Y. Kuo等人雖已對白車身開口對角變形進(jìn)行關(guān)注，但對開口變形的仿真計算都是基于靜態(tài)法的，不能體現(xiàn)車輛實際服役工況下車身變形情況。車輛在路面行駛過程中，車身受力情況復(fù)雜，路面載荷激勵是動態(tài)變化的，靜態(tài)法計算無法考慮車輛實際行駛在路面上時，車身結(jié)構(gòu)所受載荷大小，載荷相位和車身振動模態(tài)頻率的影響^[11]。

為綜合考慮車輛實際使用狀態(tài)下，影響車身開口變形的各項因素，本文利用整車模型，基于模態(tài)瞬態(tài)法仿真研究了三種典型車型（轎車，跨界車，SUV）車身開口對角變形隨動載荷激勵的時間響應(yīng)，以期為規(guī)避開啟件（側(cè)門、后背門、天窗）異響問題，指導(dǎo)提升產(chǎn)品質(zhì)量和客戶滿意度提供解決思路。

2?仿真模型與方法

本文中選取了三種代表性車型-轎車（車型1），跨界SUV（車型2），大型SUV（車型3），分別基于路面動載荷激勵法（簡稱動態(tài)法）和靜態(tài)工況（簡稱靜態(tài)法）對比分析了這三款車的車身開口對角相對變形量。

2.1 動態(tài)法

虛擬試驗場（Virtual Proving Ground，簡稱VPG）技術(shù)日趨成熟，已被廣泛應(yīng)用于汽車研發(fā)前期階段載荷仿真預(yù)測^[12]，VPG仿真的載荷可作為模態(tài)瞬態(tài)法計算車身疲勞的載荷激勵^[13-14]。本文基于VPG技術(shù)，獲取車身與底盤接附點載荷，然后將仿真得到的時域載荷施加在車身硬點位置。某SUV車型加載點位置示意圖如圖1，其在比利時路面工況時前減震塔處X，Y，Z向時域載荷信號如圖2所示。

使用模態(tài)疊加法（NASTRAN SOL112）求解計算獲得各開口對角線兩點相對變形在路面動載荷激勵下的時域響應(yīng)。本文中關(guān)注的車身開口對角線位置示意如圖3，包括左側(cè)前/后門洞開口，右側(cè)前/后門洞開口和后背門開口處，對于帶天窗版車型需額外對天窗開口對角變形加以關(guān)注。

所重點關(guān)注的車身開口對角線定義及其標(biāo)記命名簡稱對照見表1。

2.2 靜態(tài)法

目前，各主機廠在汽車研發(fā)階段對車身開口對角變形的研究是基于扭轉(zhuǎn)剛度計算工況監(jiān)測其對角相對變形量^[8-10]。扭轉(zhuǎn)工況信息如下：前防撞梁中間位置約束YZ方向自由度，左后減震塔約束XYZ三向自由度，右后減震塔約束Z方向自由度，左/右前減震塔分別施加+/-3000N大小的力，載荷及約束示意圖如4所示。

靜態(tài)計算時測量的車身開口對角線與動態(tài)法保持一一對應(yīng)，示意圖如圖5。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 路面工況對車身開口對角變形的影響?

路面工況不同，車身所受載荷差異較大，車身開口對角相對變形隨時域響應(yīng)亦呈現(xiàn)出較大差異。圖6列出了車型1后背門開口對角相對變形在不同路面下隨時域的響應(yīng)曲線。

根據(jù)計算得到的車身開口對角線兩點相對變形隨時間的響應(yīng)，然后統(tǒng)計出各對角變形在不同路面下響應(yīng)的最大值，得到各路面下的開口對角最大變形量。圖7列出了某款轎車（車型1）在高速制動路面（High Brake）、環(huán)形比利時石塊路（Belgian Circular Pave）、中等石塊路（Middle Pave）、鵝卵石路（Snake Cobble）、過坑路（Pot Holes B）、共振路（Resonance）、50km/h制動路面（Brake 50 to 0）等7種路面載荷信號激勵下前門/后門/后背門開口處對角最大變形量。比較不同路面工況下各開口對角變形可知，尾門處的開口對角變形最大;其中在共振路面下最大變形達(dá)到了1.39mm，在環(huán)形比利時石塊路面上，尾門開口對角最大變形達(dá)到1.23mm。在共振路和比利時石塊路上行駛時，車身受到連續(xù)扭轉(zhuǎn)和彎曲，且這兩種路面頻率與車身頻率接近，這時車身開口對角變形較其他路面大，更易發(fā)生異響。

3.2?動態(tài)法車身開口對角變形結(jié)果與靜態(tài)法比較

比利時路面作為整車異響性能開發(fā)中異響診斷最常用的一種特征路面;在比利時路面載荷激勵下，此路面上載荷頻率較高且集中，車身受到連續(xù)不斷的彎曲和扭轉(zhuǎn)，車身開口對角相對位移隨時間的變化也較急劇。圖8，圖9，圖10分別列出了車型1，車型2，車型3的前門、后門和后尾門開口處對角相對變形量隨時間的變化。

圖11，圖12，圖13分別列出了車型1，車型2和車型3在比利時路面載荷激勵下車身開口處各對角線的最大相對變形值，并將動載荷激勵法的分析結(jié)果與靜態(tài)工況計算的開口對角變形量進(jìn)行了比較。

結(jié)果顯示：在比利時路面工況下，車型1的尾門開口對角相對變形最大達(dá)到了1.23mm（圖11）;車型2左前門開口變形2.43mm，后背門開口對角相對位移最大達(dá)2.03mm（圖12）;車型3為中大型SUV，后背門開口尺寸遠(yuǎn)大于車型1，2，其后背門處開口對角相對位移最大達(dá)到了3.32mm（圖13）。另外，由圖11，圖12，圖13清晰可見：使用動態(tài)法計算的各個車型的車身開口對角相對變形均遠(yuǎn)大于靜態(tài)工況的變形值;主要原因在于：模態(tài)瞬態(tài)法計算能考慮車輛在路面行駛時車身實際受力大小，還能綜合考慮到載荷頻率、相位和車身頻率振動等影響變形的因素，動態(tài)法仿真與汽車真實駕駛工況更貼近。

3.3?尾門開口對角變形比較及模態(tài)貢獻(xiàn)量分析

為方便對比各車型間開口對角變形對比，圖14列出了車型1，車型2和車型3在比利時路面載荷信號激勵下，后背門位置車身開口對角最大相對變形值。圖14顯示，各車型后背門處開口變形存在較大差異，SUV（車型3）的尾門處對角變形最大值達(dá)到了3.32mm，跨界SUV（車型2）尾門洞口對角最大變形2.03mm，遠(yuǎn)大于車型1（轎車）的對角相對值1.23mm，因此SUV后背門處比轎車更易發(fā)生異響，這與工程實踐結(jié)果相符，在產(chǎn)品路試過程中發(fā)現(xiàn)SUV車型后背門發(fā)生異響問題確實比轎車更頻繁。

基于模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)求解器（NASTRAN SOL112）計算分別輸出模態(tài)向量和模態(tài)坐標(biāo)文件，在Meta后處理軟件Squeak and Rattle模塊中利用模態(tài)坐標(biāo)和模態(tài)向量文件進(jìn)行模態(tài)貢獻(xiàn)量分析。

后背門開口處車身對角相對變形較大，發(fā)生異響的可能性越大，針對三款車型后背門開口處進(jìn)行模態(tài)貢獻(xiàn)量分析找出對后背門開口對角變形影響較大的模態(tài)頻率，車型1，2，3模態(tài)貢獻(xiàn)量分析結(jié)果見圖15。

由圖15可見，對車型1，2，3后背門開口對角變形影響最大的模態(tài)頻率分別是14.49Hz，20.48Hz，21.51Hz?？筛鶕?jù)此模態(tài)頻率下的整車模態(tài)振型、應(yīng)變能分布，為進(jìn)一步結(jié)構(gòu)改進(jìn)、性能優(yōu)化提供參考依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文基于整車模型，根據(jù)VPG技術(shù)提取的路譜載荷，系統(tǒng)研究了3款典型車型在路面動載荷激勵下車身開口對角變形。主要結(jié)論有：

（1）研究車型1在不同路面載荷激勵下車身開口對角相對變形發(fā)現(xiàn)：在比利時路面和共振路面激勵下車身開口對角變形相對較大，其中在后背門處開口對角最大變形分別達(dá)1.23mm、1.39mm。

（2）動態(tài)法計算的開口對角變形量遠(yuǎn)大于靜態(tài)工況的變形量，使用動載荷激勵計算車身開口對角相對變形可充分考慮載荷大小，載荷頻率與相位，車身結(jié)構(gòu)模態(tài)共振等影響變形的因素，與實際工況更接近。

（3）對比車型1，2，3后背門開口處對角變形發(fā)現(xiàn)：車型3（SUV）的對角變形量遠(yuǎn)大于車型1（轎車）;車型3后背門處比車型1更易發(fā)生異響。

（4）模態(tài)貢獻(xiàn)量分析結(jié)果表明：對車型1，車型2，車型3后背門開口對角變形影響最大的模態(tài)頻率分別是14.49Hz，20.48Hz，21.51Hz。

參考文獻(xiàn)

[1]?李穎琎，孫躍輝，昝建明等.汽車儀表板異響分析研究[C].2010中國汽車工程學(xué)會年會論文集， SAE-C2010E192.

[2]?魏秋軍，宋凱，劉亞彬.儀表板異響分析[C].2015中國汽車工程學(xué)會年會論文集， 2015CG-NV027.

[3]?Jens Weber， Ismail Benhayoun. Squeak & Rattle Correlation in Time Domain using the SAR-LINETM Method[C]. SAE Paper 2012-01-?1553.

[4]?Naga Narayana.A Finite Element Method for Effective Reduction of Speaker-Borne Squeak and Rattle Noise in Automotive Doors [C]. SAE Paper 2011-01-1583.

[5]?Sung-Hoon Park，Joo-Ho Choi. Probabilistic analysis of rattle occur?-rence in the gap of automotive interior parts[J]. Journal of Mechani?-cal Science and Technology， 2014， 28（10）： 3991-3996.

[6]?俞云云，李琦，崔世海等.汽車儀表板有限元建模及摩擦異響研究[J].汽車實用技術(shù)， 2018， 23. 083： 231-233.

[7]?Jens Weber， Ismail Benhayoun. Squeak & Rattle Simulation-A Succe?-ss Enabler in the Development of the New Saab 9-5 Cockpit without Prototype Hardware [C]. SAE Paper 2010-01-1423.

[8]?E. Y. Kuo， P. R. Mehta， P. E. Geck. High Mileage Squeak and Rattle Robustness Assessment for Super Duty Cab Weight Reduction Using High Strength Steel and Adhesive Bonding[C]. SAE Paper 2002-01-3064.

[9]?E. Y. Kuo. Up-Front Body Structural Designs for Squeak and Rattle Prevention[C]. SAE Paper 2003-01-1523.

[10]?E.Y.Kuo， P. R. Mehta.The Effects of Body Joint Designs on Liftgate Chucking Performance[C]. SAE Paper 2005-01-2541.

[11]?張林波，柳楊，黃鵬程等.有限元疲勞分析法在汽車工程中的應(yīng)用[J].計算機輔助工程，2006， 15（s1）： 195-198.

[12]?謝強，陳思忠.汽車虛擬試驗場（VPG）技術(shù)[J].北京汽車，2003（3）： 13-15.

[13]?李佳，宋凱，成艾國等.基于虛擬試驗場的汽車車身T型接頭疲勞分析[J].汽車工程， 2011， 33（5）： 422-427.

[14] 孫宏祝，陳循，梁科山等.基于整車虛擬道路行駛試驗的車輛零部件疲勞分析[J].國防科技大學(xué)學(xué)報，2007， 29（4）： 121-125.