CN105912748A - 一种车身结构各局部模态贡献度的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车身结构设计领域，发明一种车身结构各局部模态贡献度的评价方法。首先建立车身结构的整体仿真模型，并根据车身结构性能设计的需要，将车身结构整体分解成若干个局部模块。通过给各局部模块的刚度一个适当的改变量，考察对整车各阶模态的频率变化，从而获得各局部模块对整车各阶模态的贡献情况，并建立对应的局部模态贡献度矩阵，今儿比较直观地评价各局部模块对整车各阶模态贡献程度。将该评价方法应用于车身结构的设计过程中，可以使设计人员有针对性地对各局部模块的结构布置进行优化调整，在保证车身整体的各阶模态均满足设计要求的同时，有效地优化材料的分布、降低结构的重量。

Description

一种车身结构各局部模态贡献度的评价方法

技术领域

本发明涉及车身结构设计领域，发明一种车身结构各局部模态贡献度的评价方法。

背景技术

建国以来，我国汽车工业从无到有、由小到大有了很大发展。汽车生产的实践一再表明：整车生产能力的发展取决于车身的生产能力；汽车的更新换代在很大程度上也决定于车身。随着车身新材料的应用以及模块化进程的发展，在进行车身结构的优化设计时，需要对车身各局部模块中的杆件规格与结构布置进行独立设计。考虑到车身是一个大型空间超静定结构，其各局部模块中的构件存在相互的耦合关系，因而在进行模块化设计时，面临的设计变量往往是多元而非单一的。

模态分析是对汽车振动进行控制的有效手段。为了避免类似共振、噪声过大等不良现象,确保汽车使用的安全可靠，车身结构在各阶振型下的固有频率均需满足设计要求。然而在进行车身结构的优化设计时，现有的模态评价方法仅能完成对整车结构的模态评价，无法对车身各局部模块进行基于模态性能的设计。现有的灵敏度分析等方法也只能考察一类构件中单个设计变量对整车模态的影响，且操作流程复杂繁琐，无法快速有效地应用到车身结构的设计之中。因而设计人员由于缺少设计指导，只能依靠经验在整车结构中对各局部模块结构进行耦合迭代设计。这样的设计模式往往导致车身结构的设计周期过长，且不利于车身设计模块化进程的发展。

发明内容

本发明针对现有车身结构设计方法中存在的不足，发明一种车身结构各局部模态贡献度的评价方法。该方法通过对车身各分总成及局部模块的模态贡献度进行评价，为设计人员在进行局部模块化设计时提供参考，对局部模块的结构布置进行优化调整，使车身结构整体性能的分配更加合理，达到减轻结构重量且改善车身结构性能的目标。

一种车身结构各局部模态贡献度的评价方法，主要包括以下步骤：

(1)、建立车身结构的整体仿真模型，并计算获得车身整体的各阶模态频率f_i ⁽⁰⁾(i＝1、2、3…m)；

(2)、给车身结构整体刚度一个适当改变量ΔK(ΔK＝μK)，并计算改变后的整车各阶模态频率f_i ⁽¹⁾(i＝1、2、3…m)；

(3)、将车身整体结构按车身分总成分解为若干个局部模块；

(4)、参照步骤2中的μ值，依次给各模块j(j＝1、2、3、…n)的刚度一个相同比例的改变量ΔK_j(ΔK_j＝μK_j)，并再次计算改变后的整车各阶模态频率f_ij(i＝1、2、3…m)；

(5)、令λ_ij＝(f_ij-f_i ⁽⁰⁾)/(f_i ⁽¹⁾-f_i ⁽⁰⁾)×100％，其中λ_ij为第j个局部模块对整车第i阶模态的贡献度；

(6)、计算获得各局部模块对整车各阶模态的贡献度，并建立对应的局部模态贡献度矩阵λ_f(如式1所示)；

${\mathrm{\λ}}_f=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\λ}}_{11}& {\mathrm{\λ}}_{12}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{1j}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{1n}\\ {\mathrm{\λ}}_{21}& {\mathrm{\λ}}_{22}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{2j}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{2n}\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & .& & .\\ {\mathrm{\λ}}_{i1}& {\mathrm{\λ}}_{i2}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{ij}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{in}\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & .& & .\\ {\mathrm{\λ}}_{m1}& {\mathrm{\λ}}_{m2}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{mj}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{mn}\end{array}\right]$

(7)、分别计算矩阵λ_f中各列元素的均值 即为各局部模块对整车各阶模态的综合贡献度。

所述步骤(3)中的各分总成模块，根据主要质量安装点及各功能模块的设计要求还可进一步进行细化分解，并进行模态贡献的评价。

实现所述步骤(2)与步(4)中的刚度改变，根据有限元计算中结构刚度与材料杨氏模量的正比关系，可以通过给杨氏模量一个适当改变量ΔE的方式，ΔE＝μE，使结构刚度产生相同比例的改变，由于在进行数值计算时存在舍入误差，因此改变比例μ的绝对值不能过小，考虑到车身各模块之间的耦合关系，|μ|取值应在[0.05,0.15]内。

实现所述步骤(7)中的各局部模块对整车各阶模态的综合贡献度评价，可通过对矩阵λ_f中对应元素进行均值运算来考察各局部模块对整车某几阶模态的综合贡献度；也可通过求得矩阵λ_f中对应元素的比值，来考察各局部模块对整车某几阶模态贡献度的相关性。

有益效果

本发明的车身结构各局部模态贡献度评价方法，可以完成车身各局部模块对整车各阶模态的贡献程度评价，突破了现有的灵敏度分析方法只能评价单一设计变量对车身模态的影响，无法对车身各分总成及局部模块整体贡献度进行评价的局限性。

将该评价方法应用于车身的新材料应用与结构优化设计过程中，可以使设计人员有针对性地对各局部模块的结构布置进行优化调整，合理地优化碳纤维、高强钢等新材料在车身结构中的分布。

此外，通过对各局部模块的模态贡献度进行评价，还可以实现各分总成及局部模块的独立设计，有利于汽车平台化的发展趋势，并大大缩短了研发周期，对实际的项目开发具有重要意义。

附图说明

图1是实施例中所采用的某12米公路客车的整车结构示意图；

图2是整车结构各分总成的分解示意图；

图3是车身底架的局部模块分解示意图；

图4是本发明车身结构各局部模态贡献度评价方法各步骤的示意图。

其中，1为车身前围、2为车身后围、3为车身左侧围、4为车身右侧围、5为车身顶盖、6为车身底架、7为底架局部模块一、8为底架局部模块二、9为底架局部模块三。

具体实施方式

结合附图，以一项12米公路客车车身结构方案为例，对本发明的车身结构各局部模态贡献度评价方法作进一步详细说明：

(1)参见附图1，对整车结构进行建模分析，计算获得车身整体的一阶纵向扭转频率f₁ ⁽⁰⁾＝8.268Hz，一阶侧向弯曲频率f₂ ⁽⁰⁾＝13.453Hz，一阶垂向弯曲频率f₃ ⁽⁰⁾＝19.106Hz。

(2)将车身构件的杨氏模量E整体增加10％，并计算获得调整后车身整体的一阶纵向扭转频率f₁ ⁽¹⁾＝8.671Hz，一阶侧向弯曲频率f₂ ⁽¹⁾＝14.090Hz，一阶垂向弯曲频率f₃ ⁽¹⁾＝20.038Hz。

(3)参见附图2，将车身结构整体分解为六大分总成，包括：1、车身前围、2、车身后围、3、车身左侧围、4、车身右侧围、5、车身顶盖、6、车身底架；再依次将各分总成的材料杨氏模量E增加10％，并对调整后的整车各阶模态频率进行计算，计算结果表明：

调整前围的杨氏模量后，整车的一阶纵向扭转频率f₁₁＝8.286Hz，一阶侧向弯曲频率f₂₁＝13.548Hz，一阶垂向弯曲频率f₃₁＝19.166Hz；

调整后围的杨氏模量后，整车的一阶纵向扭转频率f₁₂＝8.272Hz，一阶侧向弯曲频率f₂₂＝13.462Hz，一阶垂向弯曲频率f₃₂＝19.136Hz；

调整左侧围的杨氏模量后，整车的一阶纵向扭转频率f₁₃＝8.326Hz，一阶侧向弯曲频率f₂₃＝13.580Hz，一阶垂向弯曲频率f₃₃＝19.278Hz；

调整右侧围的杨氏模量后，整车的一阶纵向扭转频率f₁₄＝8.334Hz，一阶侧向弯曲频率f₂₄＝13.584Hz，一阶垂向弯曲频率f₃₄＝19.256Hz；

调整顶盖的杨氏模量后，整车的一阶纵向扭转频率f₁₅＝8.411Hz，一阶侧向弯曲频率f₂₅＝13.642Hz，一阶垂向弯曲频率f₃₅＝19.199Hz；

调整底架的杨氏模量后，整车的一阶纵向扭转频率f₁₆＝8.374Hz，一阶侧向弯曲频率f₂₆＝13.520Hz，一阶垂向弯曲频率f₃₆＝19.527Hz。

(4)令计算获得：λ₁₁＝4.467％、λ₂₁＝14.914％、λ₃₁＝6.443％、λ₁₂＝0.993％、λ₂₂＝1.413％、λ₃₂＝3.221％、λ₁₃＝14.392％、λ₂₃＝19.937％、λ₃₃＝18.469％、λ₁₄＝16.377％、λ₂₄＝20.565％、λ₃₄＝16.107％、λ₁₅＝35.484％、λ₂₅＝29.670％、λ₃₅＝9.986％、λ₁₆＝26.303％、λ₂₆＝10.518％、λ₃₆＝45.207％；建立各分总成对整车各阶模态的贡献度矩阵：

${\mathrm{\λ}}_f=\left[\begin{array}{cccccc}4.467\%& 0.993\%& 14.392\%& 16.377\%& 35.484\%& 26.303\%\\ 14.914\%& 1.413\%& 19.937\%& 20.565\%& 29.670\%& 10.518\%\\ 6.443\%& 3.221\%& 18.469\%& 16.107\%& 9.986\%& 45.207\%\end{array}\right]$

(5)分别计算矩阵λ_f中各列元素的均值

(6)参见附图3，以底架结构为例对其进行局部模块的细化分解，包括底架局部模块一、底架局部模块二、底架局部模块三；再进一步考察底架各局部模块对底架模态的贡献情况。分别将各局部模块的杆件杨氏模量E增加10％，并对更改后的整车模态进行计算。计算结果表明：

调整底架局部模块一后，整车的一阶纵向扭转频率f′₁₁＝8.286Hz，一阶侧向弯曲频率f′₂₁＝13.473Hz，一阶垂向弯曲频率f′₃₁＝19.248Hz；

调整底架局部模块二后，整车的一阶纵向扭转频率f′₁₂＝8.314Hz，一阶侧向弯曲频率f′₂₂＝13.488Hz，一阶垂向弯曲频率f′₃₂＝19.239Hz；

调整底架局部模块三后，整车的一阶纵向扭转频率f′₁₃＝8.308Hz，一阶侧向弯曲频率f′₂₃＝13.466Hz，一阶垂向弯曲频率f₃₃＝19.237Hz；

(7)令λ′_ij＝(f′_ij-f_i ⁽⁰⁾)/(f_i ⁽¹⁾-f_i ⁽⁰⁾)×100％，计算获得：λ′₁₁＝4.467％、λ′₂₁＝3.050％、λ′₃₁＝15.248％、λ′₁₂＝11.414％、λ′₂₂＝5.338％、λ′₃₂＝14.282％、λ′₁₃＝9.926％、λ′₂₃＝1.983％、λ′₃₃＝14.067％。建立各局部模块对整车各阶模态的贡献度矩阵：

${\mathrm{\λ}}_f^{\′}=\left[\begin{array}{ccc}4.467\%& 11.414\%& 9.926\%\\ 3.050\%& 5.338\%& 1.983\%\\ 15.248\%& 14.282\%& 14.067\%\end{array}\right]$

(6)分别计算矩阵λ′_f中各列元素的均值

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种车身结构各局部模态贡献度的评价方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

(1)、建立车身结构的整体仿真模型，并计算获得车身整体的各阶模态频率f_i ⁽⁰⁾ (i＝1、2、3…m)；

(2)、给车身结构整体刚度一个适当改变量ΔK，ΔK＝μK，并计算改变后的整车各阶模态频率f_i ⁽¹⁾ (i＝1、2、3…m)；

(3)、将车身整体结构按车身分总成分解为若干个局部模块；

(4)、参照步骤2中的μ值，依次给各模块j(j＝1、2、3、…n)的刚度一个相同比例的改变量ΔK_j，ΔK_j＝μK_j，并再次计算改变后的整车各阶模态频率f_ij (i＝1、2、3…m)；

(5)、令λ_ij＝(f_ij-f_i ⁽⁰⁾)/(f_i ⁽¹⁾-f_i ⁽⁰⁾)×100％，其中λ_ij为第j个局部模块对整车第i阶模态的贡献度；

(6)、计算获得各局部模块对整车各阶模态的贡献度，并建立对应的局部模态贡献度矩阵λ_f(如式1所示)；

${\mathrm{\λ}}_f=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\λ}}_{11}& {\mathrm{\λ}}_{12}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{1j}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{1n}\\ {\mathrm{\λ}}_{21}& {\mathrm{\λ}}_{22}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{2j}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{2n}\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & .& & .\\ {\mathrm{\λ}}_{i1}& {\mathrm{\λ}}_{i2}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{ij}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{in}\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & .& & .\\ .& .& & .& & .\\ {\mathrm{\λ}}_{m1}& {\mathrm{\λ}}_{m2}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{mj}& \mathrm{...}& {\mathrm{\λ}}_{mn}\end{array}\right]$

(7)、分别计算矩阵λ_f中各列元素的均值 即为各局部模块对整车各阶模态的综合贡献度。

2.根据权利要求1中所述的一种车身结构各局部模态贡献度的评价方法，其特征在于：

所述步骤(3)中的各分总成模块，根据主要质量安装点及各功能模块的设计要求还可进一步进行细化分解，并进行模态贡献的评价。

3.根据权利要求1中所述的一种车身结构各局部模态贡献度的评价方法，其特征在于：

实现所述步骤(2)与步(4)中的刚度改变，根据有限元计算中结构刚度与材料杨氏模量的正比关系，可以通过给杨氏模量一个适当改变量ΔE的方式，ΔE＝μE，使结构刚度产生相同比例的改变，由于在进行数值计算时存在舍入误差，因此改变比例μ的绝对值不能过小，考虑到车身各模块之间的耦合关系，|μ|取值应在[0.05,0.15]内。

4.根据权利要求1中所述的一种车身结构各局部模态贡献度的评价方法，其特征在于：

实现所述步骤(7)中的各局部模块对整车各阶模态的综合贡献度评价，可通过对矩阵λ_f中对应元素进行均值运算来考察各局部模块对整车某几阶模态的综合贡献度；也可通过求得矩阵λ_f中对应元素的比值，来考察各局部模块对整车某几阶模态贡献度的相关性。