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基于模態(tài)分析的汽車(chē)后地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析論文
車(chē)身結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)特性是衡量車(chē)身品質(zhì)，反映汽車(chē)在使用過(guò)程中車(chē)身振動(dòng)特性的重要指標(biāo)。低階模態(tài)可以反映車(chē)身結(jié)構(gòu)的剛度特性，對(duì)判斷車(chē)輛的疲勞耐久性有很好的指導(dǎo)意義，所以提高車(chē)身結(jié)構(gòu)低階模態(tài)參數(shù)非常有必要。
本文以車(chē)身后地板結(jié)構(gòu)為例，在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際，基于理論分析前提，對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)局部?jī)?yōu)化進(jìn)行探討。結(jié)合車(chē)身性能和重量設(shè)計(jì)指標(biāo)的優(yōu)化方法，應(yīng)用穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)有限元模擬計(jì)算，平衡重量、成本因素，從產(chǎn)品的選型、材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得出提高汽車(chē)局部模態(tài)的方法。對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。
1模態(tài)分析的定義和原理
車(chē)身結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有低阻尼多自由度系統(tǒng)，模態(tài)試驗(yàn)中，頻響函數(shù)估計(jì)、模態(tài)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，都建立在多自由度系統(tǒng)復(fù)模態(tài)分析理論基礎(chǔ)之上。多自由度系統(tǒng)具有與自由度數(shù)相等數(shù)量的位移形狀，這些位移形狀稱為系統(tǒng)的固有振型，每一振型對(duì)應(yīng)有唯一的固有頻率。系統(tǒng)的振動(dòng)特性可以用固有頻率和固有振型來(lái)表示。無(wú)阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)的特性分析稱為模態(tài)分析。 對(duì)于剛度差的大型覆蓋件，容易在激振源的激勵(lì)下引起板殼的強(qiáng)迫振動(dòng)，當(dāng)激振頻率接近車(chē)身內(nèi)外板的固有頻率時(shí)將發(fā)生板殼共振。例如汽車(chē)后地板，共振頻率在 50-60 H2左右，共振時(shí)發(fā)生敲鼓式的聲音。
改變材料料厚，可以改變固有振動(dòng)頻率;如果料厚不變，則固有振動(dòng)頻率幾乎與板邊尺寸的平方成反比。因此，可以通過(guò)改變板邊尺寸的辦法來(lái)避免共振。最直接有效的是在板上沖壓筋。因?yàn)檎駝?dòng)波總是朝剛性最差的方向前進(jìn)，合理的布置筋可以切斷振動(dòng)波。另外一種辦法是增加加強(qiáng)件，如果不考慮成本和重量因素，此方法非常有效。增加加強(qiáng)件可以有效提高零件剛度。以上兩種方法都可以抑制振動(dòng)，避免共振。
無(wú)阻尼線性系統(tǒng)的一般運(yùn)動(dòng)可以表達(dá)為各階固有振型的線性組合。低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響大于高階振型，車(chē)身低階模態(tài)頻率大致在20-50 H2。由汽車(chē)輪胎傳遞到車(chē)身的來(lái)自路面的激勵(lì)及發(fā)動(dòng)機(jī)在其懸置上的振動(dòng)頻率等，與車(chē)身低階模態(tài)頻率很接近。因此，車(chē)身設(shè)計(jì)要非常注重結(jié)構(gòu)低階模態(tài)頻率的設(shè)計(jì)，注意提高車(chē)身整體的剛度和部件的剛度，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，使車(chē)身子系統(tǒng)的模態(tài)頻率避開(kāi)激勵(lì)頻率，以防止共振。
2車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例
2.1后地板周邊結(jié)構(gòu)介紹
車(chē)身內(nèi)部有接口和后地板前段搭接，后面和尾端板連接以及左右輪罩相連，外部由備胎和隨車(chē)工具組成。
后地板大而薄，非常容易出現(xiàn)局部模態(tài)。而局部模態(tài)不僅會(huì)引起共振，而且在耐久工況后地板會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象。當(dāng)樣車(chē)經(jīng)過(guò)物理驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂之后，由于受現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和模具的限制，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和成本來(lái)解決問(wèn)題。如果前期對(duì)此區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將模態(tài)提升至30 Hz以上，避免共振，可以有效降低開(kāi)裂概率。
2. 2優(yōu)化方法
汽車(chē)后地板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可采用穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法。在項(xiàng)目前期開(kāi)發(fā)階段，結(jié)合競(jìng)爭(zhēng)車(chē)型的結(jié)構(gòu)和新制造技術(shù)可行性的研究，選擇合適的方案。經(jīng)過(guò)幾輪普氏分析，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際布置情況以鐵制沖壓工藝為基礎(chǔ)，以局部模態(tài)為約束條件，對(duì)后地板進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。
由模態(tài)分析原理和影響因素，以材料料厚、加強(qiáng)筋的形式和深度以及后地板和五號(hào)梁的加強(qiáng)件為控制因子，以料厚公差為噪聲因子，建立模態(tài)/重量的輸出正交試驗(yàn)列表。
以后地板的局部模態(tài)和重量為設(shè)計(jì)目標(biāo)，按正交列表給出的因子組合情況進(jìn)行CAE模擬計(jì)算分析。
3結(jié)果分析
為了明確各變量對(duì)后地板模態(tài)和重量的影響程度，進(jìn)行方差分析，計(jì)算設(shè)計(jì)變量不同水平的各種組合在噪聲因子影響下的信噪比和輸出平均值，輸出點(diǎn)圖，找到最優(yōu)組合。信噪比(SlN)是測(cè)量需要的輸出響應(yīng)和非需要的輸出響應(yīng)之比，它是穩(wěn)健性的相對(duì)衡量，其計(jì)算公式如下4結(jié)論
(1)根據(jù)模態(tài)分析定義和原理以及薄板振動(dòng)理論，找出影響大覆蓋件局部低階模態(tài)的主要因素，從而有針對(duì)性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為性能指標(biāo)，并結(jié)合重量和成本因素定義出合理的目標(biāo)函數(shù)，以實(shí)際制造為約束條件，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路。
(3)以后地板機(jī)構(gòu)為例，應(yīng)用穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用CAE模擬分析手段，進(jìn)行結(jié)果分析和驗(yàn)證。
上述車(chē)身后地板的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法，為車(chē)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了一種思路，對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的局部模態(tài)優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。
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