基于HyperMesh的某商用车白车身模态研究

于翰林，毛洪海

基于HyperMesh的某商用车白车身模态研究

于翰林，毛洪海

（潍柴动力上海研发中心，上海 201315）

文章利用HyperMesh软件对某商用车白车身建立仿真模型，研究其在自由状态下的固有频率及振型，并进行了白车身模态试验验证，将试验数据与仿真分析结果进行对比，有限元分析的频率与试验结果频率除第一阶外，其他各阶整体主要模态的频率误差在5%以内，说明有限元模型比较准确，计算结果可信，仿真结果能够很好地反映实际结构的振动特性，此白车身整体模态频率与二阶不平衡激励频率相差较远，引起整车共振可能性较小，预估整车舒适性及车身疲劳寿命满足要求。通过仿真手段评估结构特性，可节省开发试验费用，缩短开发周期，为设计提供理论依据。

商用车；白车身；HyperMesh；模态研究；有限元分析

某商用车白车身为承载式车身，以薄板构成为主，具有质量轻、整体弯曲和扭转刚度好的特点，但需承受全部载荷，引起车内振动及异响的可能性较大[1]。因此，设计过程中需要对白车身模态特性进行模拟分析，以优化车身结构的振动特性，避免发生共振和异响，并观察振动频率及振型状态，确定是否进行结构优化以加强车身局部刚度，提升其稳定性和安全性[2]。

1 计算方法

白车身近似为多自由度线性无阻尼振动系统，其振动方程为[3]

由式（1）及微分方程理论推导式（2）：

|-2|=0 （2）

通过对此方程进行计算，得到结构的固有频率和振型。

2 计算分析

2.1 计算模型

本文采用HyperMesh软件建立某商用车白车身三维数据的有限元分析模型，对整体性能影响很小的车身细微结构特征适当简化，然后通过焊点把各部件连接，白车身冲压件为薄壁金属件，用壳单元模拟，点焊采用RBE2单元模拟，焊道结构采用Solid实体单元模拟[4]，部件之间的连接关系模拟实际车身结构，在进行模态分析时，不考虑结构中焊点失效，认为焊点连接是可靠的。模型连接时先焊接顶盖、侧围、地板及前围，然后将其拼装成白车身[5]。本文建立的白车身模型共799 627个壳单元，827 628个节点，6 238个焊点，连接好的白车身模态分析模型如图1所示。

图1 白车身模态分析有限元模型

2.2 计算结果

本文采用HyperMesh软件作前处理建模，MSC Nastran作为求解器计算自由状态下白车身结构模态，对白车身的振动响应影响相对较大的激励频率多集中在低频域，输出前10阶范围内的固有频率和振型，各阶模态结果如表1所示，白车身第一阶模态、一阶扭转模态、一阶弯曲分析阵型如图2—图4所示。其中，白车身第一阶模态为顶盖的横向摆动，为局部板件结构的振动振型。整车一阶扭转及整车一阶弯曲为白车身整体模态，需重点对比关注。

表1 各阶模态计算频率及振型

模态阶数频率/Hz振型 115.23前顶盖、A柱横向摆动 221.51一阶扭转 324.71前顶盖局部模态 427.07顶盖呼吸模态 529.67顶盖呼吸模态 630.92顶盖局部模态 733.29顶盖呼吸模态 835.69局部模态 937.76侧围及顶盖局部模态 1039.08一阶弯曲

图3 整车一阶扭转振型图（21.51 Hz）

图4 整车一阶弯曲振型图（39.08 Hz）

3 模态试验

3.1 试验方案

采用LMS数据采集记录仪进行白车身模态试验，采用多点激励多点响应的测试方案，支撑采用4套双腔空气弹簧支撑车身（满足弹簧支撑最高刚体频率小于第一阶弹性体频率的1/3）、三点三方向激励（向激励力25 N左右、横向激励力在20 N）、激振器通过柔性杆与车身固定连接，共布置314个测点[6]。激励点布置原则：选取结构上刚度较大位置，以避免局部变形引起输入力的改变；避开低阶主要模态节点的位置；选取能够将结构主要模态充分激励起来的位置[7]。测试样车试验传感器布置点见图5。

图5 试验用样车传感器测试点分布

对测试完成的数据进行互易性、相干性及一致性检查。试验互易性良好，在弹性体模态频率处，相干函数大于0.85，原点响应前后数据一致性好，满足技术要求[8]。

3.2 试验结果

车身总成模态试验结果见表2，试验典型模态振型，即第一阶模态、车身整体一阶扭转模态、车身整体一阶弯曲模态如图6—图8所示。

表2 样车模态试验结果

阶次频率/Hz振型 116.12A柱横向摆动 218.90车身左右两侧呼吸模态 319.74左右侧围玻璃一阶弯曲 421.37车身整体一阶扭转 524.52前顶盖局部模态 627.83顶盖呼吸模态 728.91顶盖呼吸模态 830.12顶棚一阶凹凸弯曲 934.50顶盖呼吸模态 1035.79后侧围及后侧围玻璃二阶弯曲 1139.22车身整体一阶弯曲

图6 第一阶模态（A柱横向摆动）

图7 车身整体一阶扭转模态（21.37 Hz）

图8 车身整体一阶弯曲模态（39.22 Hz）

3.3 结果对比

试验结果与仿真结果对比见表3，结果表明，有限元分析的频率与除第一阶次外的试验结果频率吻合度较高，各阶整体主要模态的频率误差在5%以内，说明有限元模型比较准确，计算结果可信，仿真结果能够很好地反映实际结构的振动特性[9]。

表3 试验结果与仿真结果对比

模态阶数仿真/Hz试验/Hz振型误差/% 115.2316.12前顶盖、A柱横向摆动5.8 2 18.90车身左右两侧呼吸模态 4 19.74左右侧围玻璃一阶弯曲 521.5121.37车身整体一阶扭转-0.7 624.7124.52前顶盖局部模态-0.8 727.0727.83顶盖呼吸模态2.8 829.6728.91顶盖呼吸模态-2.6 930.9230.12顶棚一阶凹凸弯曲-2.6 1033.2934.50顶盖呼吸模态3.6 1135.6935.79局部模态-0.3 1237.76 侧围及顶盖局部模态 1339.0839.22一阶弯曲-0.4

汽车行驶中，国内一般公路上路面激励1～ 3 Hz，车轮不平衡激励低于11 Hz，传动轴激励高于40 Hz，发动机怠速二阶不平衡激励26.7± 1.67 Hz[10]。

从以上分析可以看出，白车身主要的激励来自发动机的振动，研究汽车的动态特性，能有效地分析其舒适性和疲劳寿命。设计汽车时，车身的固有频率必须要有效地避开其激励频率，防止发生共振。汽车正常行驶时，发动机的激励频率远高于汽车的整体模态频率，不会引起共振问题。怠速条件下，白车身整体模态频率与二阶不平衡激励频率相差较远，容易引起整车共振可能性较小。

4 结论

利用有限元分析方法，得到白车身整体模态的固有频率及振型，并通过试验验证了有限元模型的准确性，此白车身整体模态频率与二阶不平衡激励频率相差较远，引起整车共振可能性较小，预估整车舒适性及车身疲劳寿命满足要求。与此同时，须进行整车振动传函及噪声传函等分析，考察车辆的动态响应特性。通过仿真手段评估结构特性，可节省开发试验费用、缩短开发周期，为设计提供理论依据。

[1] 王林龙,陆静,宋万龙,等.基于平均驱动自由度位移法的某车型排气系统吊钩位置设计[J].科学技术与工程,2018,18(8):312-316.

[2] 赵一凡.基于拓扑优化的某商用车驾驶室轻量化设计[D].南京:南京理工大学,2021.

[3] 王海龙.某型汽车排气系统模态分析和悬挂位置的优化[D].成都:西南交通大学,2015.

[4] 王仁杰.某轻型客车排气系统振动传递路径分析[J].柴油机设计与制造,2018,24(1):30-33,40.

[5] 鞠道杰,徐延海,朱鹏兴,等.商用车白车身焊点模拟对模态分析的影响研究[J].广西大学学报(自然科学版),2018,43(3):916-925.

[6] 邢建,高志彬,张明,等.某商用车白车身仿真模态与试验对标[J].汽车实用技术,2019,44(14):135-136,140.

[7] 许少楠,王香廷,顾鴃,等.某商用车白车身模态分析及结构优化[J].汽车实用技术,2017,42(2):178-181.

[8] 谢小平,韩旭,陈国栋,等.某商用车驾驶室白车身模态分析[J].湖南大学学报(自然科学版),2010,37(5): 24-30.

[9] 陈海潮.重型商用车驾驶室模态分析与拓扑优化研究[D].长春:吉林大学,2009.

[10] 莫崇卫.某商用车座椅振动特性分析与优化[D].湘潭:湘潭大学,2017.

Modal Study of a Commercial Vehicle Body in White Based on HyperMesh

YU Hanlin, MAO Honghai

( Weichai Power Shanghai Branch, Shanghai 201315, China )

In this paper, HyperMesh software is used to establish a simulation model for the body in white of a commercial vehicle, study its natural frequency and vibration mode under free state, and carry out the modal test verification of the body in white. The test data are compared with the simulation analysis results. The frequency error of the finite element analysis and the frequency of the test results is within 5% except for the first order, which indicates that the finite element model is relatively accurate and the calculation results are reliable, The simulation results can well reflect the vibration characteristics of the actual structure. The overall modal frequency of the body in white is far from the second order unbalanced excitation frequency, which is less likely to cause vehicle resonance. The estimated vehicle comfort and vehicle fatigue life meet the requirements. The evaluation of structural characteristics by means of simulation can save the cost of development and test, shorten the development cycle and provide a theoretical basis for design.

Commercial vehicle;Body in white; HyperMesh; Modality study; Finite element analysis

U463.81；TB535

A

1671-7988(2023)10-66-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.013

于翰林（1987—），男，硕士，工程师，研究方向为汽车性能仿真及优化，E-mail:yuhanlin_2008@163.com。