CN110532624A - 一种基于概念特征模型的轿车白车身模态优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于概念特征模型的轿车白车身模态优化方法，包括如下具体步骤：（1）概念车身接头的建模；（2）概念车身整体的建模；（3）基于概念车身模型的模态及灵敏度分析；（4）详细车身模型模态优化方案的提出；基于白车身概念特征模型分析计算主要梁结构灵敏度和接头灵敏度，以此作为指标识别车身弯扭模态敏感区域，并提出模态优化指导措施，随后将模态优化措施移植于白车身实车模型，可大大提高白车身NVH性能开发效率。

Description

一种基于概念特征模型的轿车白车身模态优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于概念特征模型的轿车白车身模态优化方法，属于汽车NVH技术领域。

背景技术

现代车身结构设计主要划分为概念设计阶段，详细设计阶段和分析验证阶段。

目前，车身模态优化过程中需要经过多轮分析技术和优化迭代，车身有限元模型通常在数十万单元规模，反复地分析计算会占用大量的人力、物力。

并且，车身分析验证阶段需要对车身结构进行大量的分析计算和优化迭代，也是一个耗费大量人力、物力的过程。

而概念车身模型采用梁单元和板壳单元模拟车身结构，简化了几何特征，缩减了单元规模，提高了计算效率。

可知，利用概念模型计算耗时少、效率高的特点，为详细模型提供优化参考，可缩短开发周期。

但是，合理运用概念车身模型计算优势指导车身详细设计的相关报道尚不多见，因此亟待进一步研发设计。

发明内容

针对上述现存的技术问题，本发明提供一种基于概念特征模型的轿车白车身模态优化方法，根据车身结构设计流程，将白车身概念模型与实车模型同时融入白车身模态优化设计流程，通过白车身概念特征模型的关键梁灵敏度分析和接头灵敏度分析，以快速识别白车身结构动态力学性能薄弱区域，从而便于快速指导白车身结构优化，提高车身模态的优化效率。

为实现上述目的，本发明提供一种基于概念特征模型的轿车白车身模态优化方法，包括如下具体步骤：

（1）概念车身接头建模：

车身接头结构是车身结构重要组成部分，它的刚度对车身结构响应有重要影响，并且接头分支长度、各分支之间的圆弧过渡区域对接头刚度的影响不容忽略，因此准确地截取接头模型是建立高精度概念车身模型的关键。

概念车身接头模型来源于详细车身模型。

在轿车白车身接头详细模型各分支100mm处截断，将接头详细模型各横截面质心连线作为接头概念模型各分支，且接头概念模型各分支设为刚性梁单元。

进一步，接头概念模型各分支两端均设立节点，一节点与本分支相邻的车身梁单元连接，另一节点与接头详细模型中心点通过球铰连接。

更进一步，并根据接头结构的力学性能，在接头概念模型安置一组扭簧单元，每组扭簧单元由三个刚度不相关、方向相互正交的扭簧单元组成；接头概念模型各分支与接头概念模型中心点之间通过一个扭簧单元连接；将接头详细模型的刚度矩阵解耦处理后的特征值矩阵设为扭簧单元刚度，所得特征向量矩阵即为扭簧单元方向。

（2）概念车身整体建模：

（2.1）构建车身框架梁模型：在既有车身详细模型的基础上抽取特征点，通过特征点构造车身上的梁零件。

并且，特征点的坐标位置不需要十分精确，只需要大概的位置即可，之后可以有目的地调整点和线的空间位置。

进一步，在保证概念模型计算精度的前提下可对框架梁结构模型做如下处理：

（2.1.1）将弯曲梁用直梁代替，或者用分段梁代替，如前围板上横梁，顶盖横梁等。

（2.1.2）截面突变的梁结构亦采用分段直梁处理，如车身A柱，B柱等。

（2.1.3）忽略焊点位置，使梁截面构成封闭线段。

（2.2）构建车身覆盖面板模型：车身框架梁模型建立好之后，在此基础上建立顶盖、地板、塔形支座、轮罩板等覆盖面板。

进一步，在保证概念模型计算精度的前提下对车身覆盖面板结构模型做如下处理：

（2.2.1）靠得很近的两个薄板简化为一个，厚度为该两个薄板之和的板。

（2.2.2）忽略面板结构上的孔、翻边、台阶、加强筋等细微特性。

（2.2.3）将小的覆盖面合成为一个大的面。

（2.2.4）取消面与面之间的倒角。

（2.3）基于车身框架梁和覆盖面板模型进行有限元网格划分，建立车身概念特征模型，包含概念车身接头单元模型。

（3）基于概念车身模型的模态及灵敏度分析：

对概念白车身模型进行模态灵敏度分析，可以获知结构对相关模态的薄弱区域。

例如，对车身概念特征模型低阶模态分析，获取弯曲、扭转模态频率，并针对弯、扭模态进行车身梁板厚灵敏度分析；车身梁结构的板厚灵敏度值越大，则表明该板厚值对特定模态影响越大，即该梁结构为刚度薄弱区域。

进一步，这里主要研究车身梁结构、接头刚度变化对车身模态的影响，从而找到比较敏感的影响参数（截面或者接头），为概念车身NVH优化提供参考。

（4）详细车身模型模态优化方案的提出：

由概念白车身模型的模态灵敏度分析结果，精准地查找结构刚度薄弱区域，针对刚度薄弱区域提出模态优化指导措施，通过调整车身钣金板厚或者改进车身几何结构，使车身模态频率达到预设参考目标值，并移植于白车身实车模型，再对详细车身模型模态进行验证，提高白车身动态性能。

综上，本发明基于白车身概念特征模型分析计算主要梁结构灵敏度和接头灵敏度，以此作为指标识别车身弯扭模态敏感区域，并提出模态优化指导措施。

随后，将模态优化措施移植于白车身实车模型，可大大提高白车身NVH性能开发效率，是一种便捷而有效的车身结构优化方法。

相比现有技术，本发明具有如下技术优势：

1、分析流程有助于完善白车身模态优化规范和流程。

2、车身有限元模型通常在数十万单元规模，反复地分析计算会占用大量的人力、物力，而概念车身有限元模型规模则缩减一个数量级，计算效率可得到极大提高。

附图说明

图1a为轿车白车身接头详细模型图；

图1b为轿车白车身接头概念模型图；

图2 为轿车白车身详细模型图；

图3为轿车白车身概念模型图；

图4为白车身模态优化设计流程图；

图5为 C柱上接头优化方案图；

图6为尾灯板件优化方案图；

图7为行李厢局部结构优化方案图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

实施时，某轿车白车身模态优化的具体步骤如下：

（1）概念车身力学单元：

如图1a所示，在轿车白车身接头详细模型各分支100mm处截断，将接头详细模型各横截面质心连线作为接头概念模型各分支，且接头概念模型各分支设为刚性梁单元。

接头概念模型各分支两端均设立节点，其中一节点与本分支相邻的车身梁单元连接，另一节点与接头详细模型中心点通过球铰连接，如图1b所示：以接头分支1（Leg1）为例，节点1连接车身B柱梁，节点1’通过球铰连接接头详细模型中心点0。

并根据接头结构的力学性能，在接头概念模型各分支与其中心点之间安置一组扭簧单元，每组扭簧单元由三个刚度不相关、方向相互正交的扭簧单元组成；以图1b为例，接头分支1、2、3（Leg1、2、3）的节点1’，2’，3’分别通过扭一个簧单元连接接头详细模型中心点0。

接着分三步进行车身概念模型建模过程，构建车身框架梁模型；构建车身覆盖面板模型；基于车身框架梁和覆盖面板模型进行有限元网格划分，建立车身概念特征模型，见图2和图3所示。

（2）概念车身模态分析：

通过有限元仿真软件，计算得到白车身详细模型和概念模型的低阶模态性能参数，见表1。

表1 白车身详细模型和概念模型模态性能对比

阶次	详细模型模态振型及频率	概念模型模态振型及频率	频率误差%
				1	后部扭转26.88Hz	后部扭转25.78Hz	4.1
2	上部横摆29.73Hz	上部横摆31.78Hz	6.9
				3	垂向弯曲47.79Hz	垂向弯曲45.10Hz	5.6
4	前舱横摆50.25Hz	前舱横摆51.87Hz	3.2

由表1可知，白车身详细模型和概念模型模态性能相对误差低于7%，表明概念特征模型具有良好的计算精度。

并且，白车身一阶模态频率与发动机怠速2阶激励频率（约25Hz）耦合，易导致共振，因此以一阶模态频率提升作为优化目标。

（3）概念车身灵敏度分析：

对概念白车身模型进行模态灵敏度分析，可以获知结构对相关模态的薄弱区域，进而有针对的改进薄弱区域，提高白车身动态性能。

这里主要研究车身梁结构、接头刚度变化对车身模态的影响，从而找到比较敏感的影响参数（截面或者接头），为概念车身NVH优化提供参考。

在进行灵敏度分析时，一般是将设计变量变动一定幅度，然后重新求解，计算出变量变化后的目标函数值。

针对图3所示车身概念模型，将梁结构和接头板厚增加10%，将车身梁和接头板厚变化后引起模态频率变化值作为灵敏度值，计算结果见表2，计算结果见表3。

表2 关键梁灵敏度分析

表3 主要接头灵敏度分析

由表2 结果获知，尾灯竖梁厚度变化对车身扭转模态影响明显，达到2.58Hz，而其余关键梁厚度变化对车身模态频率改变几乎为0。

由表3结果获知，C柱上接头板厚变化使车身1阶模态频率变化大于1Hz，而其余接头引起的模态频率变化几乎为零。

因此，对上述区域结构进行优化可达到提高NVH性能的目的。

（4）优化方案移植：

将车身概念模型获得的优化措施移植于车身详细模型，如改变分支的板厚或者几何结构，具有方法如下：

4.1）在C柱上接头添加加强板，见图5。

4.2）根据车身常用钢材类型选择板厚，如将尾灯局部结构板厚由0.8mm改为1.5mm，见图6。

4.3）将尾箱横延长至两端壁板，以使尾箱局部刚度得到加强，见图7。

（5）优化方案验证：

采取优化措施后，车身优化前后模态性能见表4。

表4 车身优化前后模态性能

	扭转模态频率（Hz）	弯曲模态频率（Hz）
			优化前	26.88	47.49
优化后	27.90	48.56
			变化值	+1.02	+1.07

可知，优化后白车身扭转模态频率由26.88Hz提高到27.90Hz，避开了发动机怠速2阶激励频率2Hz以上，达到了避频的目的，同时弯曲模态频率提高了1.07Hz，车身NVH性能得到了较好的改善。

以上例子主要说明了本发明的焊接变形分析预测方法。

尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。

因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (6)

1.一种基于概念特征模型的轿车白车身模态优化方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

（1）概念车身接头的建模：

在轿车白车身接头详细模型各分支100mm处截断，将接头详细模型各横截面质心连线作为接头概念模型各分支，且接头概念模型各分支设为刚性梁单元；

（2）概念车身整体的建模：

（2.1）构建车身框架梁模型：在既有车身详细模型的基础上抽取特征点，通过特征点构造车身上的梁零件；

（2.2）构建车身覆盖面板模型：在车身框架梁模型的基础上建立覆盖面板，包括顶盖、地板、塔形支座、轮罩板；

（2.3）基于车身框架梁模型和覆盖面板模型进行有限元网格划分，建立车身概念特征模型，包括概念车身接头模型；

（3）基于概念车身模型的模态及灵敏度分析：

对车身概念特征模型低阶模态分析，获取弯曲、扭转模态频率，并针对弯、扭模态进行车身梁板厚灵敏度分析；车身梁结构的板厚灵敏度值越大，则表明该板厚值对特定模态影响越大，即该梁结构为刚度薄弱区域；

（4）详细车身模型模态优化方案的提出：

针对刚度薄弱区域提出模态优化指导措施，通过调整车身钣金板厚或者改进车身几何结构，使车身模态频率达到预设参考目标值，并移植于白车身实车模型，再对详细车身模型模态进行验证。

2.根据权利要求1所述的一种基于概念特征模型的轿车白车身模态优化方法，其特征在于，步骤（1）中，接头概念模型各分支两端均设立节点，一节点与本分支相邻的车身梁单元连接，另一节点与接头详细模型中心点通过球铰连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于概念特征模型的轿车白车身模态优化方法，其特征在于，步骤（1）中，在接头概念模型安置一组扭簧单元，每组扭簧单元由三个刚度不相关、方向相互正交的扭簧单元组成；接头概念模型各分支与接头概念模型中心点之间通过一个扭簧单元连接；将接头详细模型的刚度矩阵解耦处理后的特征值矩阵设为扭簧单元刚度，所得特征向量矩阵即为扭簧单元方向。

4.根据权利要求1所述的一种基于概念特征模型的轿车白车身模态优化方法，其特征在于，步骤（2.1）中，在保证车身概念模型计算精度的前提下对框架梁模型做如下处理：

（2.1.1）弯曲梁用直梁或者分段梁代替；

（2.1.2）截面突变的梁结构亦采用分段直梁处理；

（2.1.3）忽略焊点位置，使梁截面构成封闭线段。

5.根据权利要求1所述的一种基于概念特征模型的轿车白车身模态优化方法，其特征在于，步骤（2.2）中，在保证车身概念模型计算精度的前提下对车身覆盖面板结构模型做如下处理：

（2.2.1）将靠得很近的两个薄板简化为一个厚度为两板厚度之和的大板；

（2.2.2）忽略面板结构上的细微特性，包括孔、翻边、台阶、加强筋；

（2.2.3）将小的覆盖面合成为一个大面；

（2.2.4）取消面与面之间的倒角。

6.根据权利要求1所述的一种基于概念特征模型的轿车白车身模态优化方法，其特征在于，步骤（3）中，主要研究车身梁结构、接头刚度变化对车身模态的影响，从而找到比较敏感的影响参数，为概念车身NVH优化提供参考。