CN116484506A - 车身面板的结构优化设计方法、车身面板及车辆 - Google Patents

车身面板的结构优化设计方法、车身面板及车辆 Download PDF

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Abstract

本申请涉及车辆NVH技术领域，具体涉及一种车身面板的结构优化方法、车身面板及车辆，该结构优化方法包括：建立整车的有限元模型；基于有限元模型在整车轮胎的接地点加载路面随机激励，以车内驾驶员及乘客耳朵为响应点进行道路振动噪声仿真分析；将分析结果与目标值进行比较，确定引起噪声问题的关键部件；截取关键部件模型，在关键部件与车身的连接位置施加约束，求解约束状态下关键部件的刚度；对关键部件模型进行优化分析；将优化结构转换为可工程化模型；将可工程化模型替换入整车的有限元仿真模型中，验证道路噪声结果是否满足设计目标值。本申请可以在降低低频道路噪声的同时，既不增加零件成本，也不影响生产节拍，提高优化效率。

Description

车身面板的结构优化设计方法、车身面板及车辆
技术领域
本申请涉及车辆NVH技术领域，具体涉及一种车身面板的结构优化设计方法、车身面板及车辆。
背景技术
车辆的噪声、振动及声振粗糙度(Noise、Vibration and Harshness，简称NVH)性能是用户对整车品质最直接的感受，其水平体现了车辆的设计、制造质量，是影响车辆市场表现情况的重要因素之一。传统内燃机车辆有三大噪声源：动力噪声、风噪和路噪。自上世纪九十年代以来，动力系统技术和电控技术的发展使得发动机和进排气系统的噪声大大下降，车辆造型的流畅和导流技术的发展使得风噪越来越低，这就导致道路噪声成为最主要噪声源。对于新兴的电动车辆，发动机和进排气系统噪声销声匿迹，路噪声问题就变得尤为突出；近年来车辆道路噪声的千台客户抱怨数(TGW)越来越严重，通过TGW大数据分析发现低频“敲鼓声”问题是客户常见的抱怨之一。“敲鼓声”是由于车辆在行驶过程中，轮胎受到路面激励而振动，这个振动传递到悬架，再传递到车身，被激励的车身面板对车内辐射声音，形成了结构声路噪。
在低频“敲鼓声”问题解决过程中，由于车身面板各部件的模态均在20-60Hz内，导致各面板的模态合理避频设计非常困难。另外，车身面板各部件的结构及连接不合理会引起异响及外观造型等性能，且各性能之间存在冲突，随着新型车辆造型朝更加新颖、结构更加多样化发展，给车身面板的结构设计提出了新的挑战。
发明内容
本申请的目的在于提供一种车身面板的结构优化设计方法、车身面板及车辆，其可以在降低低频道路噪声的同时，既不增加零件成本，也不影响生产节拍，提高优化效率。
为了实现上述目的，本申请采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种车身面板的结构优化方法，包括：建立整车的有限元模型；基于有限元模型在整车轮胎的接地点加载路面随机激励，以车内驾驶员及乘客耳朵为响应点进行道路振动噪声仿真分析；将分析结果与目标值进行比较，确定引起噪声问题的关键部件；截取关键部件模型，在关键部件与车身的连接位置施加约束，求解约束状态下关键部件的刚度；对关键部件模型进行优化分析；将优化结构转换为可工程化模型；将可工程化模型替换入整车的有限元仿真模型中，验证道路噪声结果是否满足设计目标值。
进一步，将分析结果与目标值进行比较、确定引起噪声问题的关键部件包括：获取由路面随机激励引起的噪声问题频率；针对问题频率通过有限元分析软件进行模态参与因子分析，输出问题频率峰值响应的激励频率下模态贡献量较大的若干个模态结果；将若干个模态结果与自由模态分析相结合，查找针对问题频率贡献较大的若干个车体部件；以针对问题频率贡献最大的车体部件作为引起噪声问题的关键部件。
进一步，对关键部件模型进行优化分析包括：定义关键部件的优化设计区域，将优化设计区域内的有限元网格模型及其属性单独放入一个组内，并对此部分网格进行细化生成四面体单元；以单元密度为设计变量、质量及位移为响应、刚度工况下关键部件的质量最小为目标函数进行优化分析；定义优化计算参数，监控优化分析模型的分析结果是否收敛。
进一步，对关键部件模型进行优化分析还包括：如果分析结果不收敛，则重新对优化设计区域内的有限元网格模型进行细化。
进一步，如果将可工程化模型替换入整车的有限元仿真模型中，验证道路噪声结果不满足设计目标值，则重新将优化结构转换为可工程化模型，并将可工程化模型替换入整车的有限元仿真模型中，验证道路噪声结果是否满足设计目标值。
进一步，车身面板包括背门结构、顶棚及地板，其中，引起噪声问题的关键部件为背门结构。
进一步，背门结构包括沿厚度方向由内至外依次层叠设置的背门内饰板、背门钣金内板及背门塑胶外板。
进一步，背门结构的优化设计区域为中间区域，优化参数为所述中间区域的减重孔的位置、数量及尺寸大小。
第二方面，本申请提供一种车身面板，采用如前所述的车身面板的结构优化方法优化而成。
第三方面，本申请提供一种车辆，包括如前所述的车身面板。
根据本申请提供的车身面板的结构优化方法、车身面板及车辆，通过对整车进行道路振动噪声仿真分析，从整车有限元模型中截取引起噪声问题的关键部件，并对关键部件模型进行优化分析，然后将优化后的关键部件转化为可工程化模型，将可工程化模型替换入整车的有限元仿真模型中验证道路噪声结果是否满足设计目标值，从而可以在降低低频道路噪声的同时，既不增加零件成本，也不影响生产节拍，提高优化效率。
附图说明
图1示出本申请实施例提供的车身面板的结构优化方法的流程框图；
图2示出从图1所述的车身面板中截取的背门结构模型的示意图；
图3示出图2中背门结构的分解结构示意图；
图4为背门结构的优化设计区域的示意图；
图5为背门结构的优化结果示意图。
其中，10-初始背门结构；1-背门内饰板；2-背门钣金内板；3-背门塑胶外板；100-优化后的背门结构模型。
具体实施方式
以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本申请提供一种车身面板的结构优化方法，包括如下步骤S1～步骤S7。
步骤S1：建立整车的有限元模型。
根据有限元建模标准建立整车的有限元模型，并对模型进行检查，然后为有限元模型中的各个部件选择材质，保证有限元模型与整车的实际状态保持一致。
步骤S2：基于有限元模型在整车轮胎的接地点加载路面随机激励，以车内驾驶员及乘客耳朵为响应点进行道路振动噪声仿真分析。
整车道路振动噪声是由于车辆在行驶过程中路面的不平度特征对轮胎产生激励，通过轮胎、底盘传递到车身，最终在人耳处产生的声压响应。在整车有限元模型的轮胎接地点加载路面随机激励，对于左驾驶车辆，可以车内驾驶员及乘客的右耳为响应点进行道路振动噪声仿真分析；对于右驾驶车辆，可以车内驾驶员及乘客的左耳为响应点进行道路振动噪声仿真分析。
步骤S3：将分析结果与目标值进行比较，确定引起噪声问题的关键部件。
将上述道路噪声仿真分析结果与目标值进行对比，确定引起低频“敲鼓声”问题的关键部件。
步骤S4：截取关键部件模型，在关键部件与车身的连接位置施加约束，求解约束状态下关键部件的刚度。
车身面板包括背门结构、顶棚及地板等，由零件、组件、部件之间相互连接的等效表面即为连接界面，连接界面的等效刚度会导致组合结构局部刚度降低，影响结构的动力学性能。本实施例中，可选地，引起噪声问题的关键部件为背门结构。从整车有限元模型中截取背门结构的模型，背门结构与背门框之间的连接界面涉及到铰链、锁扣、密封条、缓冲块等连接件的等效刚度，其中铰链的等效刚度起到对背门的定位、支撑和约束作用，而锁扣的等效刚度、密封条的等效刚度、缓冲块的等效刚度的确定为重中之重，这些决定了整车状态下背门结构的约束模态，又直接影响整车NVH性能。
如图2所示，矩形虚线框为在初始背门结构10与车身连接的位置施加的约束，一共有6个约束，利用有限元分析软件对初始背门结构10进行刚度分析，求解其约束状态下的基础刚度结果。
可以理解的是，引起噪声问题的关键部件还可以为顶棚等其他部件，根据具体的应用场景及约束条件而定，此处不作限制。
步骤S5：对关键部件模型进行优化分析。
如图3所示，初始背门结构10为钢塑混合背门，其包括沿厚度方向由内至外依次层叠设置的背门内饰板1、背门钣金内板2及背门塑胶外板3。钢塑混合背门由于背门外板为塑胶件，使得背门外板成型自由，可以满足用户越来越高的造型需求，但是刚塑混合背门由于结构复杂、质量较重，如果在优化过程中继续通过增加加强件的方式提升背门的刚度、模态等性能，会严重影响生产节拍，并且会进一步增加背门重量，导致撑杆支撑力不足及背门开启困难等问题。因此，需要对初始背门结构10本身的结构进行优化设计。
针对步骤S4中的背门结构模型进行优化分析，以使背门结构在约束状态下的刚度最大且优于步骤S4中的基础刚度结果。
步骤S6：将优化结构转换为可工程化模型。
将步骤S5中的优化结果与工程设计人员进行沟通，结合工程设计经验及工艺可实施性对背门结构进行处理，将上述拓扑优化结果转换为可工程化的背门结构模型100。
步骤S7：将可工程化模型替换入整车的有限元仿真模型中，验证道路噪声结果是否满足设计目标值。
将步骤S6中基于优化结果转换的背门结构工程化数据重新进行有限元建模，并将优化后的背门结构模型100替换入步骤S1中整车有限元模型中的关键部件，然后进行路噪性能验证。如果仿真分析结果满足设计目标值，说明优化结果可行；否则需要重复步骤S6，将优化结果转换可工程化模型，直到满足道路噪声性能设计要求。
根据本申请提供的车身面板的结构优化方法，通过对整车进行道路振动噪声仿真分析，从整车有限元模型中截取引起噪声问题的关键部件，并对关键部件模型进行优化分析，然后将优化后的关键部件转化为可工程化模型，将可工程化模型替换入整车的有限元仿真模型中验证道路噪声结果是否满足设计目标值，从而可以在降低低频道路噪声的同时，既不增加零件成本，也不影响生产节拍，提高优化效率。
进一步，步骤S3中，将分析结果与目标值进行比较、确定引起噪声问题的关键部件包括：
步骤S31：获取由路面随机激励引起的噪声问题频率；
步骤S32：针对问题频率通过有限元分析软件进行模态参与因子分析，输出问题频率峰值响应的激励频率下模态贡献量较大的若干个模态结果；
步骤S33：将若干个模态结果与自由模态分析相结合，查找针对问题频率贡献较大的若干个车体部件；
步骤S34：以针对问题频率贡献最大的车体部件作为引起噪声问题的关键部件。
本实施例中，可以对每个模态参与因子进行单因子灵敏度分析，得到影响噪声问题频率的关键影响因子，根据模态贡献量大小对各模态参与因子的灵敏度进行排序，得到敏感度较高的若干个关键影响因子，然后对关键影响因子开展全因子试验设计分析(DOE)。例如，为每个关键影响因子设置多个水平数，利用道路振动噪声仿真分析计算关键影响因子的各水平数对应的噪声问题频率；将计算结果连成曲线，选择曲线斜率较大且具有可实施性的区间作为优化设计参数的工程化经济区间。
可选地，对关键影响因子开展全因子试验设计分析中，全因子试验设计仿真分析的次数至少为e K次，其中，K为关键影响因子的数量，e为每个关键影响因子的水平数的数量，且K＝3～5，e≥3。
进一步，步骤S5中，对关键部件模型进行优化分析包括：
步骤S51：定义关键部件的优化设计区域，将优化设计区域内的有限元网格模型及其属性单独放入一个组内，并对此部分网格进行细化生成四面体单元；
步骤S52：以单元密度为设计变量、质量及位移为响应、刚度工况下关键部件的质量最小为目标函数进行优化分析；
步骤S53：定义优化计算参数，监控优化分析模型的分析结果是否收敛。
本实施例中，关键部件的优化设计区域需要与背门结构的工程设计人员确认，根据设计人员提供的可设计区域，进行优化分析，将可设计区域内的有限元网格模型及其属性单独放入一个组内，并对此部分网格进行细化，例如网格由原来的10mm×10mm细化为5mm×5mm，并生成四面体单元。在优化设计的计算过程中，需要随时监控模型的分析结果是否收敛。
如图4所示，可选地，初始背门结构10的优化设计区域为中间区域，优化参数为所述中间区域的减重孔的位置、数量及尺寸大小。如图5所示，优化后的背门结构模型100中，包括6个尺寸不同的减重孔，包括位于中间的两个大减重孔及位于四周的四个小减重孔，实现了背门结构的轻量化设计，进而可以减轻车身面板的整体重量。优化后的背门结构模型100在降低低频道路噪声的同时，既不增加零件成本，也不影响生产节拍，提高了优化效率。
进一步，步骤S5中，对关键部件模型进行优化分析还包括：
步骤S54：如果分析结果不收敛，则重新对优化设计区域内的有限元网格模型进行细化。例如，网格由原来的5mm×5mm细化为3mm×3mm，并生成四面体单元，再次进行优化分析。
进一步，步骤S7之后，如果将可工程化模型替换入整车的有限元仿真模型中，验证道路噪声结果不满足设计目标值，则重新将优化结构转换为可工程化模型，并将可工程化模型替换入整车的有限元仿真模型中，验证道路噪声结果是否满足设计目标值。
可选地，重新将优化结构转换为可工程化模型时，可以调整减重孔的形状、大小及位置等，还可以调整各边的倒角大小等，再次将调整后的可工程化模型导入整车的有限元仿真模型中，直至道路噪声结果满足设计目标值为止。
需要说明的是，本申请实施例主要以背门结构作为车身面板的影响噪声问题的关键部件进行优化设计分析，在其他实施例中，也可以将顶棚、地板等其他部件作为车身面板的影响噪声问题的关键部件进行优化设计分析，不再赘述。
另外，本申请提供一种车身面板，采用如前所述的车身面板的结构优化方法优化而成。车身面板可以包括优化后的背门结构、优化后的顶棚及优化后的地板中的至少一者。
另外，本申请提供一种车辆，包括如前所述的车身面板。
可以理解的是，本申请实施例中的车辆可以是所有具备移动能力的车辆，包括具备自动驾驶或智能驾驶的车辆，例如载人功能车辆(轿车、公共汽车、大巴车、小巴车等)、载货功能车辆(普通货车、厢式货车、甩挂车、封闭货车、罐式货车、平板货车、集装厢车、自卸货车、特殊结构货车)、特殊车辆(物流配送车、巡逻车、起重机、吊车、挖掘机、推土机、铲车、压路机、装载机、越野工程车、装甲工程车、污水处理车)、娱乐功能的车辆(娱乐车、游乐场自动驾驶装置、平衡车等)、救援车(例如消防车、救护车、电力抢修车、工程抢险车等)等。
应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种车身面板的结构优化方法，其特征在于，包括：
建立整车的有限元模型；
基于所述有限元模型在整车轮胎的接地点加载路面随机激励，以车内驾驶员及乘客耳朵为响应点进行道路振动噪声仿真分析；
将分析结果与目标值进行比较，确定引起噪声问题的关键部件；
截取关键部件模型，在所述关键部件与车身的连接位置施加约束，求解约束状态下关键部件的刚度；
对所述关键部件模型进行优化分析；
将优化结构转换为可工程化模型；
将所述可工程化模型替换入所述整车的有限元仿真模型中，验证道路噪声结果是否满足设计目标值。
2.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于，所述将分析结果与目标值进行比较、确定引起噪声问题的关键部件包括：
获取由路面随机激励引起的噪声问题频率；
针对所述问题频率通过有限元分析软件进行模态参与因子分析，输出所述问题频率峰值响应的激励频率下模态贡献量较大的若干个模态结果；
将所述若干个模态结果与自由模态分析相结合，查找针对所述问题频率贡献较大的若干个车体部件；
以针对所述问题频率贡献最大的车体部件作为引起噪声问题的关键部件。
3.根据权利要求2所述的结构优化方法，其特征在于，所述对所述关键部件模型进行优化分析包括：
定义所述关键部件的优化设计区域，将所述优化设计区域内的有限元网格模型及其属性单独放入一个组内，并对此部分网格进行细化生成四面体单元；
以单元密度为设计变量、质量及位移为响应、刚度工况下关键部件的质量最小为目标函数进行优化分析；
定义优化参数，监控优化分析模型的分析结果是否收敛。
4.根据权利要求3所述的结构优化方法，其特征在于，所述对所述关键部件模型进行优化分析还包括：如果分析结果不收敛，则重新对所述优化设计区域内的有限元网格模型进行细化。
5.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于，如果将所述可工程化模型替换入所述整车的有限元仿真模型中，验证道路噪声结果不满足设计目标值，则重新将所述优化结构转换为可工程化模型，并将所述可工程化模型替换入所述整车的有限元仿真模型中，验证道路噪声结果是否满足设计目标值。
6.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于，所述车身面板包括背门结构、顶棚及地板，其中，引起噪声问题的所述关键部件为背门结构。
7.根据权利要求6所述的结构优化方法，其特征在于，所述背门结构包括沿厚度方向由内至外依次层叠设置的背门内饰板、背门钣金内板及背门塑胶外板。
8.根据权利要求7所述的结构优化方法，其特征在于，所述背门结构的优化设计区域为中间区域，所述优化参数为所述中间区域的减重孔的位置、数量及尺寸大小。
9.一种车身面板，其特征在于，采用如权利要求1至8任一项所述的车身面板的结构优化方法优化而成。
10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求9所述的车身面板。
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