一种车身局部模态贡献度评价方法及其应用

袁 正,那景新

(1.烟台大学机电汽车工程学院,山东 烟台 264005;2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林 长春 130022)

伴随着我国汽车工业的蓬勃发展,汽车市场的竞争也越来越激烈。为了进一步提高市场占有率,各大车企纷纷加快了新车型的上市速度,因此,如何在保证产品质量的同时尽可能地缩短研发、制造周期成为了车企们关注的焦点。在这一背景下,汽车平台化、模块化战略应运而生,国内外许多学者也纷纷开展了对平台化、模块化相关方面的研究[1-2]。

汽车在行驶过程中,其车身结构承受着路面传递的各种复杂载荷[3]。模态分析作为车身结构动态性能设计的重要组成,通过设计车身的固有频率和振型,使车身结构在行驶时避开外界主要的激励频率,从而提高车辆的可靠性及乘坐舒适性[4]。针对车身模态优化方面的研究已经得到了广泛展开:李万利等[5]用模态灵敏度理论对客车车身进行优化设计和灵敏度分析。曹文钢等[6]利用梁体混合的有限元建模方法对全承载客车车身结构的模态参数进行了分析,加强了车身的薄弱环节。王震虎等[7]在综合考虑车身动态与静态刚度和正面碰撞安全性的前提下,对车身正向概念设计进行了研究。马迅等[8]通过建立某轻型客车结构的有限元模型,研究了主要零部件对结构低阶模态的影响,确定了影响车身结构的主要因素。伍玉霞等[9]采用兰索斯法对骨架进行了自由模态分析,根据分析结果采用零阶优化方法对骨架进行了优化设计。

然而,在对车身结构进行模块化设计时,现有的模态分析方法仅能对整车模态进行计算,无法聚焦于车身的各局部模块。而现有的模态灵敏度分析方法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,周期过长,无法快速有效地应用到车身结构的设计之中[10-13]。

基于以上问题,本文初步提出一种车身局部模态贡献度的评价方法,并将该方法应用于车身结构的优化设计之中,从而为车身的模块化设计提供技术指导。

1 车身局部模态贡献度的定义

通过对车身各局部模块中的材料杨氏模量进行相同比例的微小调整,依次考察整车各阶模态频率的变化情况,计算获得车身结构各局部模块对整车模态性能的贡献情况,并建立对应的局部模态贡献度矩阵,从而建立一种能够定量评价各局部模块对整车结构各阶模态贡献程度的评价指标,具体流程如下:

(1)

式中,λij为第j个模块对整车结构i阶模态的贡献度。采用矩阵形式,得到车身结构n个局部模块的各阶模态贡献度矩阵,即:

(2)

其中,j=1,2,3,…,n,n为分组模块数,m为所提取的模态阶数。采用矩阵形式表示:

2 车身结构设计方法

2.1 车身各局部模态贡献度评价

为了对本文提出的车身结构设计方法进行详细阐述,本文以某12 m 承载式客车车身结构为实例进行阐述,建立车身结构有限元模型如图1,共有9588个梁单元,11 456个壳单元,材料属性参数如表1。

图1 客车车身梁-壳混合模型

表1 材料参数

1—前悬前左上模块;2—前悬前左下模块;3—轴间上部左模块;4—轴间下部左模块;5—后悬后左上模块;6—后悬后左下模块;7—前悬前右上模块;8—前悬前右下模块;9—轴间上部右模块;10—轴间下部右模块;11—后悬后右上模块;12—后悬后右下模块。

表2 车身结构各模块模态贡献度系数评价

由表2数据可知:

(1)2种振型模态中,各模块模态贡献度之和分别为98.25%与97.44%,与理论值100%的误差均小于3%,从而验证了该评价方法的正确性;

(2)模块3与9是一阶扭转模态与一阶垂向弯曲模态频率的最主要贡献区,模块4与10次之,4个轴间模块结构的模态贡献度大于70%,即车身轴间模块结构是2种振型模态的敏感区域,因此当需要优化整车模态频率时,可优先考虑调整上述4个模块的结构。

2.2 局部结构拓扑优化改进

拓扑优化是结构优化的典型形式之一,变密度法作为连续体拓扑优化中较为常用的方法可以获得结构内部材料最佳分布的方案[15]。参用本文提出的车身局部模态贡献度评价方法可以快速获得各局部模块对车身低阶模态频率的贡献情况,从中选取模态贡献度较大的模块结构作为优化区域,可利用拓扑优化对贡献度较大的结构区域进行优化设计。因此本文将车身结构局部模态贡献度与局部拓扑优化相结合,提出一种基于局部模态贡献度与局部拓扑优化的车身结构设计方法,以进一步提升车身模块化设计的效率。

为了改善车身结构的2种振型的模态频率,远离引起人体不适的固有频率,根据上一节的评价结果,选取模块3和9作为结构优化改进的主要区域,对模块3和9进行局部拓扑优化。模块3与9的局部优化区域如图3、图4。

规范证书签发。地方各级林业植物检疫机构要强化检疫员证书签发管理，严格按照“谁检疫谁负责”、“谁签证谁负责”的原则，认真开展现场检疫和产地检疫，杜绝只开证不检疫的现象。证书必须在“林业有害生物防治检疫管理与服务平台”上办理，填写内容符合附件3的要求。要严格执行专职检疫员手工签发制度，不得使用个人印章代替，不得由他人代签。要加强签发证书的事中事后监管，及时纠正证书签发中的不规范问题，严肃查处“只开证不检疫”、“先开证后检疫”等违规行为。

图3 模块3的局部优化区域

图4 模块9的局部优化区域

由于一阶扭转模态频率相对于一阶弯曲模态频率更接近人体固有频率,本文以一阶扭转与垂向弯曲模态频率为目标函数,以优化区域的体积比为约束,以优化区域的单元相对密度为设计变量,利用变密度法对2个模块的优化区域进行拓扑优化。

以模块3为例,部分优化区域的有限元模型如图5。拓扑优化所得结果如图6(a)。

图5 模块3部分优化区域的有限元模型

图6 优化区域优化结果

对模块3部分优化区域的优化结果进行工程解读,解读后的结果如图6(b)、6(c)。采用同样的方法,对模块3的其余优化区域进行拓扑优化并进行工程解读,为了保证车身左右侧结构的对称性,模块9参照模块3相应的区域进行优化,优化后的模块3如图7与图8。

图7 根据解读一优化后的结构

图8 根据解读二优化后的结构

将优化前的车身结构与优化后的2种车身结构的一阶扭转模态频率与一阶弯曲模态频率进行对比,如表4。

表4 车身结构模态频率

由表4可知,根据解读一与解读二得到的优化模型相比于原始模型2种振型模态频率都得到显著提升,其中前者的模态频率提升最大,因此将根据解读一得到的优化模型作为最终的优化模型。

3 试验验证与方法流程

3.1 试验验证

为了对本文研究方法的有效性进行验证,对车身结构模型进行振动模态试验:采用空气弹簧在整车底架结构的合适位置支撑车身骨架,使车身整车结构在激振器激发时,处于自由状态,测试现场如图9。

图9 测试现场

通过试验测得车身结构的一阶扭转模态和一阶垂向弯曲模态,并将其与仿真数据进行对比,如表5。

表5 模态频率数据对比

由数据对比可知,试验测试与仿真结果的误差均在5%以内;此外,为了更加直观地反映试验测试与仿真结果的一致性,将试验测试振型图与有限元仿真模态振型图进行对比,如图10、11。试验与仿真结果的一致性较好,从而验证了本文研究方法的有效性。

图10 试验测试振型

图11 有限元仿真模态振型

3.2 流程总结

基于上述研究,对本文提出的车身局部模态贡献度评价方法及其应用流程进行总结:

(4)由式(1)计算获得各局部模块对整车结构各阶模态的贡献度,并建立对应的局部模态贡献度矩阵与模态综合贡献度矩阵;

(5)将局部模态贡献度矩阵与模态综合贡献度矩阵中模态贡献度较大的区域作为优化区域,以一阶扭转与垂向弯曲模态频率最大为目标函数对该区域进行拓扑优化,并对优化后的结果进行工程解读,最终获得满足设计要求的车身结构方案。

4 结束语

本文提出了一种车身局部模态贡献度评价方法,并以某 12 m 承载式客车车身为载体,对该评价方法进行了应用研究。研究表明: 利用本文提出的模态贡献度评价方法可以快速获得车身各局部模块对整车模态的贡献情况,找到影响整车模态的敏感区域,进而运用局部拓扑优化法对模态贡献度较大的区域进行优化设计,可以对车身的模块化设计提供快速有效的技术指导,使车身整体结构性能分布更加合理,具有重要的工程应用价值。