基于模态灵敏度分析的客车车身优化

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1、基于模态灵敏度分析的客车车身优化郭广铭I史文库$陈志勇$（1.宇通客车股份有限公司，郑州450061；2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022）扌商要：针对提高国产某轻型客车的乘坐舒适性，解决年内振动和噪声剧烈问题，本文首先基于冇限元仿真和LMSTest.Lab的阶次跟踪方法进行振动和噪声原因分析，所确定的原因为轮胎激励引起的车身结构共振。为避免共振，以白车身飯金件和骨架的厚度为设计变量，以提高白车身前两阶固有频率为H的，用模态灵敏度理论对白车身进行优化设计和灵敏度分析。然后结合各饭金件和骨架的模态灵敏度和质量灵敏度，设计最优的改进方案并进行试验分析。对比优化前后的试验结果，

2、验证了该优化方案的有效性与合理性。关键词：车身；灵敏度分析；结构优化：模态分析；振源识别中图分类号：U463.82+2文献标识码：A车内的振动和噪声是评价汽车舒适性的重要指标。年身直接或间接受到路面激励、发动机激励、千轮不平衡的动态力、传动系统不平衡的动态力，以及其他部件的相对运动产生的动态作用力，从而引起车身的振动，并最终影响乘员的舒适性⑴。当外界激励的频率与车身的固冇频率接近时，就会使车身产生共振,引起车内较人的振动和噪声。某国产轻型客车在车速90~120km/h范I韦I车内出现异常地板振动和噪声，严重影响了汽车的舒适性。针对这一问题，通过道路试验进行振动原因分析，确定产纶问题的原因是在该

3、乍速范围内车轮转动的角频率与车身结构前两阶固有频率接近，导致车内振动加剧。为改善该客车的NVH性能，建立了白车身的冇限元模型，分析了白年身0〜50Hz的振动模态，并与试验结果进行对比分析，验证了有限元模型的正确性；以白车身各镀金件和骨架的厚度为设计变量，以提高一阶和二阶固有频率为目标，进行尺寸优化设计，确定口车身前两阶固有频率对各零件的灵敏度25】；然后根据优化结果对灵敏件加厚以提高车身前两阶的同有频率；最后将改进后的车身进行试验分析。对比优化前后的试验结果，表明该优化方案是有效且合理的。1异常振动和噪声原因分析某轻型客车在车速90〜120km/h（对应发动机转速为2475〜3300r/min

4、）范围车内出现异帘强烈的振动和噪声，针对这一问题，需通过道路试验对振源进行识别。在车内地板和乘员右耳处分别布置加速度传感器和传声器，通过匀加速试验，采集加速度和声压信号,并对■垂向加速度（图1）和声压（图2）进行阶次跟踪⑹。3300.002000.000.00.260.520.02opnlydpAutoPower3rdtraiHz3rdtral:+Z(CH17)50.003300.00图1车内地板垂向加速度阶次跟踪Fig」Ordertrackingofacceleration厶■old」(L1二OMOel2000.000.00第一作者鄭广铭男，博士研究生，1985年生通讯作者史文库男，教授，博

5、士生导师，1960年生AutoPower4th_seatWF61[1799-3299rpm]9.70114.87Hz4thseat(CH3)50.00图2乘员右耳声斥阶次跟踪0.00Do2Jed)0>pn竺duiyFig.2Ordertrackingofsoundpressure从阶次跟踪图可以看到振动频率与车速相关，且第一阶频率集中在低频区域（10.29〜11.46Hz和13.64~14.81Hz）。在该转速范围，只冇车轮转动的角频率（11.02~14.70Hz）与Z接近⑺。白车身的模态分析表明车身的前两阶固有频率（分别为11.88Hz和14.89Hz,见下文）也与之接近。可以推断，车轮产生

6、的低频路面激励和车身前两阶固有频率I-分接近，导致车身共振提高车身的前两阶模态频率展开；2.建立的口车身有限元模型是正确的，可以采用这一模型进行后续的优化设计。COAtOVMOIEA«XASO-fwt2<1MSUOCASe)«MOCeI&FfMWlA^QOOOOOC—$皿a图4匚I车身一阶模态振型引起车内异常振动和噪声。2建模与仿真2.1有限元模型首先建立片车身的三维几何模型，然后导入有限元前处理软件进行单元离散，单元网格尺寸设为lOmmo飯金件和骨架Z间按实车情况进行连接：对于点焊连接，根据焊点单元直径采用Weld单元模拟⑻；对于螺栓连接和直径较人的钏接采用Beam单元模拟;对于粘接连接，

7、采用Adhere单元模拟⑼。建立的白车身有限元模型共1168512个单元,1229973个节点,如图3所示。图3白车身有限元模型Fig.3Finiteelementmodelofbody-in-white2.2模态分析与验证采用Lanczos方法对上述白车身有限元模型进行模态分析前4阶模态频率和振型如表1所示。ewoa»c•负・i1X000000k>yne«ooLj3oe