浅析基于模态的白车身结构优化

摘要：目前试验模态分析技术已经成为解决振动噪声以及疲劳强度等实际问题的一项最重要、应用最广泛的技术手段。通过模态试验识别出的汽车白车身的结构动力学特性对于乘坐舒适性和结构可靠性起着决定性的作用，是汽车新产品开发中结构分析的主要内容。在模态分析的基础上，结合实际，基于理论分析前提，对白车身结构优化切入点进行探讨；对当前我国车企在车身结构动态特性领域的探索，本课题的研究可以提供一定的参考。

关键词：白车身 模态试验 方法 模态参数

【分类号】：U463.82

一、国内外研究状况

目前，模态分析技术在我国已成为一门重要的工程技术，而不仅仅是研究单位从事研究的理论课题作为考察结构动力学特性的重要手段，模态分析在白车身结构设计过程中扮演中重要角色。模态分析在白车身分析中的应用包括实验模态和有限元计算模态两个方面。模态试验技术相关理论通过学者的大量研究已趋于成熟。有限元仿真分析方面，早期的运用主要集中在概念设计阶段的粗略白车身力学模型上，通常采用以梁单元为主的框架结构模型；随着计算机计算能力的提高以及相关计算软件精度的不断提高，对结构细节的研究不断深入，模型的规模以及计算精度不断提高。然而，由于实验模态分析技术的较强理论性和实践性，以及白车身结构的复杂性，往往实验过程中处理方法会对实验结果形成直接影响。人的因素在试验过程中扮演着重要角色。所以白车身模态分析仍然需要研究者的不断努力以寻求新的突破。在当前的研究中，皆以车身顶棚的模态固有频率作为设计变量，尚未见到针对顶棚模态振型的优化研究以及对其减振降噪潜力的论述。此外，目前研究中通常将顶棚作为一个独立子结构加以研究，忽略了与车身其他结构的相互影响，必然与作为白车身一部分的顶棚结构的模态特性有所差距。

二、白车身模态试验系统及步骤

模态试验系统基本上有激励系统、响应系统、分析仪及计算机等三部分组成。本试验的激励系统主要包括信号源、功率放大器、激振器以及力传感器，试验时白噪声激励信号经过功率放大器放大后驱动前后对角布置的激振器激励白车身，并将力传感器采集的在正式开展模态试验之前需要建立整个试件的几何模型，其目的是确定测试点位置以便开展模态试验以及模态参数的识别。输入力信号经过电荷放大器放大后输入分析仪。

1、固定方式的确定

本试验采用自由―自由支撑方式，利用弹性绳四点悬挂白车身，经过预试验测得白车身悬挂点的振幅较小，且刚体模态频率 2.12Hz 远小于一阶弹性模态频率 36.88Hz 的 10%，满足白车身自由―自由支撑的试验要求。

2、激振点的布置

激振点的布置对于模态试验结果具有举足轻重的作用，白车身模态试验一般最多选取2-3 个激振点，激振点选得太多频响函数曲线的质量反而会变差。通过预试验结果的比较与分析，本试验采用多输入多输出试验方法，分别选取了车身底板右纵梁前端以及左纵梁后端处两个刚度较大且避开节点的平整位置作为激振点，同时还判别了激振信号的互易性和独立性以满足试验要求。通过分析比较发现，白车身的一阶模态频率能有效地避开路面激振频率、非悬挂质量的固有频率、发动机怠速频率；但模态频率与汽车起步及正常行驶时发动机的激振频率有耦合现象，同时 2 阶以上模态频率与传动轴的激振频率也有耦合现象。此外前 6 阶模态振型图反映前翼子板刚度较弱，容易引起局部振动，从而影响此处的结构疲劳寿命，有待进一步改进。

3、窗函数的选取

为了防止采样信号泄漏，需要对采样信号进行加窗。但加窗会引起试验数据畸变，存在频响函数曲线的峰值变小和阻尼变大等缺陷，因此可以采用提高频率分辨率延长采样时间的方法。在正式试验之前，通过预试验测得采样时间延长到 8s 时，加速度响应信号可以在采样周期内自动衰减到零，不需要加窗。要分析评价白车身模态试验结果，首先要查明汽车在实际工况条件下的激励频率，要使实际工况下的激振频率与车身模态频率完全避开，这样才能避免汽车工作时车身发生共振现象，并以此来判别白车身结构设计的合理性。

三、车身结构优化

1、优化意见与思路

根据车内噪声产生机理，传统的降低车内噪声的措施分为三种：降低噪声源强度，主要包括发动机噪声和底盘噪声；控制噪声和振动传播途径，包括隔声和隔振两个方面；吸声降噪，运用吸声材料对发动机噪声、乘员室噪声、行李箱噪声进行吸声降噪。从三个方面同时采取有效的措施，才能最大程度降低车内噪声，任何一个方面的重视不够或处理不当都会大大限制降噪效果。实际中，常采用仿真结合试验的方式寻求解决方案。仿真方面，可对车身壁板振动及车内声场进行模拟分析，找到对车内设定点声压较为敏感的结构参数，进而指导改进设计。试验方面，可通过车内噪声与振动源以及声源的相干分析来寻找结构振动的传递路径，从而确立解决问题的方法。另一方面，如果直接对噪声辐射结构的振动状况加以研究，找到合理的结构振动控制方案，减小作为辐射源的敏感结构的振动，则同样能使车内噪声整体水平得到降低。这样可以避开的声学模拟置信度的问题。通过试验手段，采用顶棚振动频响函数测试的方式对顶棚的振动特性进行了摸底，并对顶棚结构刚度作了改进，对本课题的研究有一定借鉴意义。

2、约束条件和优化目标

在结构优化中，设计变量的取值是有限制的，这些限制条件称为约束条件。根据约束的性质，一般可以分为两类：能够直接限制的约束，称为显约束，如板件厚度的上下限等；无法直接约束的量，称为隐约束，如结构总质量、固有频率、结构强度等。隐约束通过显约束总体效果体现出来。本次优化约束条件包括显约束和隐约束这两类。显约束即对设计变量的上下限进行规定，限制结构件厚度变化范围；隐约束为车身总质量，将车身总质量控制在适当的范围内。优化目标，就是优化设计想要达到的最终效果，可以是结构某一响应的最大值，也可以是最小值，建立优化目标就是将希望的优化效果定义为优化的最终目的。本优化就是需要将车身一阶固有频率在允许的范围内提高到最大，因此将一阶固有频率最大定义为优化目标。对白车身所有板件进行基于板件厚度的一阶模态和质量灵敏度分析，并以其中一块板件为例研究板件厚度对一阶模态灵敏度的影响；结合灵敏度分析结果，选用对白车身一阶固有频率影响较大的板件厚度作为优化变量进行优化，使得白车身一阶固有频率由原来的19.04Hz提高到224HZ，避免与发动机激励频率重叠，改善车身动态特性。

结语：

通过对白车身的模态分析，初步了解了白车身的基本模态属性，为以后汽车的频率响应分析，NVH分析等奠定基础。并预测未来车辆所具有的一些力学特性，为设计、试验提供理论依据，也提供了比较准确的模态估计值，节省了试验时间。

参考文献：

[1]李允. 汽车白车身模态分析及结构优化[D].西南交通大学，2011.

[2]王腾腾. 基于自动模态综合的白车身结构动态改进[D].重庆大学，2012.

[3]戴云，邬耀明，熊毅. 某汽车白车身模态试验研究[J]. 轻型汽车技术，2009，10：4-7.

[4]刘斌. 基于模态的白车身结构优化研究[D].西南交通大学，2011.

[5]夏兆义，冯兰芳，王宏晓，惠延波. 某轿车白车身模态分析与优化[J]. 机械研究与应用，2011，03：26-28.