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1、第17卷第2期山东交通学院学报Vo.l17No.22009年6月JOURNALOFSHANDONGJIAOTONGUNIVERSITYJun.2009DOI:10.3969/.jissn.1672-0032.2009.02.001白车身模态灵敏度分析及结构优化陈昌明,肖强(同济大学汽车学院,上海201804)摘要:以白车身的3个低阶模态第1个弹性体模态、一阶扭转模态及一阶弯曲模态对应固有频率的提高为目标,以白车身总成各板件的厚度为设计变量,得到3个重要模态固有频率对各板件厚度的灵敏度。将3个重要模态的相对灵敏度综合考虑,在基本不对模具进行
2、修改的条件下,通过调整敏感!板件厚度,对白车身的结构进行优化。优化结果显示,车身模态指标及刚度有不同程度的提高,而车身质量没有明显增加。关键词:白车身;模态;灵敏度;结构性能;优化中图分类号:U463.8文献标识码:A文章编号:1672-0032(2009)02-0001-05影响车身结构性能的设计变量很多,在车身结构动态优化中,为了避免结构修改的盲目性,通过灵敏度分析,找出对车身结构性能影响较大的结构参数作为车身优化的设计变量,对于提高车身结构性能具有十分重要的意义。以白车身总成各板件的厚度为设计变量,以白车身的3个低阶模态第1个弹性体模
3、态(以下简称为第1个模态)、一阶扭转模态及一阶弯曲模态对应的固有频率的提高为目标,得到3个重要模态固有频率对各板件厚度的灵敏度情况。同时引入新的相对灵敏度概念,将3个重要模态的相对灵敏度综合考虑,在基本不对模具进行修改的条件下找到敏感!板件,在此基础上对白车身的结构进行优化。1有限元模型1.1建模有限元模型的建立是有限元分析的关键环节。车身有限元模型的建立应能反映工程结构的主要力学特性和[1]车身结构的实际状况。[2]借助有限元前处理软件ANSA,在UG数模的基础上,建立某款SUV轿车白车身的有限元模型,如图1所示。整车包括395250个单元,其
4、中四边形单元371002个,占总数的9387%;三角形单元24248个,占总数的613%,三角形单元控制在10%之内,满足规定要求。其中绝大部分单元为板壳单元,用以模拟白车身各板件总图1白车身有限元模型成,少量实体单元用以模拟顶盖粘胶等部件,4724个CWELD单元模拟白车身的绝大多数焊点,少量焊点利用RBE2单元予以模拟。1.2有限元模型的验证对白车身进行模态试验,将试验结果与有限元分析结果进行对照,以验证有限元模型的正确性。收稿日期:2008-12-10作者简介:陈昌明(1950),男,上海人,同济大学副教授,主要研究方向为车身结构分析
5、.2山东交通学院学报2009年6月第17卷被测白车身采用模拟自由状态的悬吊安装方式(悬吊频率为1Hz左右),如图2所示,使用橡皮绳在前减震器安装位置和后车门铰链孔处将车身悬吊在刚性良好的支架上,车身保持水平。试验采用多点激励、多点拾振的多输入、多输出(MIMO)测试方式。通过有限元分析与试验,分别得到了白车身模态的计算值和试验值,前10阶模态固有频率的对比结果如图3所示,试验和计算值之间频率的误差控制在10%之内,并且振型基本一致,故可证明建模方法基本正确,所建有限元模型可用于后续工作。图2
6、白车身悬吊安装方式图3试验及计算得到的固有频率对比2白车身模态灵敏度分析2.1模态灵敏度理论设i及ui分别是车身结构第i个模态的固有频率与振型向量,则它们满足2(K-iM)ui=0,(1)式中K与M分别为结构模型的总刚度与总质量矩阵,其维数即为结构模型自由度数。对式(1)求导得22(Kj-2ii,jM-iMj)ui+(K-iM)ui,j=0,(2)式中i,j,ui,j,Kj及Mj分别为i,ui,K及M对某设计变量b(如板厚等)的偏导数。T用ui左乘式(2),并考虑T2Tui(K-iM)ui,j=0,uiMui=1,有1T2
7、i,j=ui(Kj-iMj)ui.(3)2iee在有限元方法中,K及M分别由单元刚度矩阵K及单元质量矩阵M组装而成,即eK=K,(4)eM=M.(5)式(4)、(5)对参数b求导有eKj=Kj,eMj=Mj.则式(3)可转化为eTe2eeeui(Kj-iMj)uii,j=,2ie式中i,j为第i阶模态固有频率i关于第e个单元的设计变量b的灵敏度。为了灵敏度数值分析方便起见,分别将车身各板件的灵敏度以板件上各单元灵敏度数值的求和表示。第2期陈昌明等:白车身模态灵敏度分析及结构优化
8、32.2分析及结果定义1st代表车身第1个弹性体模态固有频率对车身各板件厚度的灵敏度值;t代表一阶扭
