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基于模態(tài)分析的汽車(chē)后地板結構設計優(yōu)化分析論文
車(chē)身結構的振動(dòng)模態(tài)特性是衡量車(chē)身品質(zhì)，反映汽車(chē)在使用過(guò)程中車(chē)身振動(dòng)特性的重要指標。低階模態(tài)可以反映車(chē)身結構的剛度特性，對判斷車(chē)輛的疲勞耐久性有很好的指導意義，所以提高車(chē)身結構低階模態(tài)參數非常有必要。
本文以車(chē)身后地板結構為例，在模態(tài)分析的基礎上結合實(shí)際，基于理論分析前提，對車(chē)身結構局部?jì)?yōu)化進(jìn)行探討。結合車(chē)身性能和重量設計指標的優(yōu)化方法，應用穩健性設計方法，并通過(guò)有限元模擬計算，平衡重量、成本因素，從產(chǎn)品的選型、材料、結構優(yōu)化，得出提高汽車(chē)局部模態(tài)的方法。對車(chē)身結構優(yōu)化有一定的指導意義。
1模態(tài)分析的定義和原理
車(chē)身結構是一個(gè)具有低阻尼多自由度系統，模態(tài)試驗中，頻響函數估計、模態(tài)驗證等環(huán)節，都建立在多自由度系統復模態(tài)分析理論基礎之上。多自由度系統具有與自由度數相等數量的位移形狀，這些位移形狀稱(chēng)為系統的固有振型，每一振型對應有唯一的固有頻率。系統的振動(dòng)特性可以用固有頻率和固有振型來(lái)表示。無(wú)阻尼自由振動(dòng)系統的特性分析稱(chēng)為模態(tài)分析。 對于剛度差的大型覆蓋件，容易在激振源的激勵下引起板殼的強迫振動(dòng)，當激振頻率接近車(chē)身內外板的固有頻率時(shí)將發(fā)生板殼共振。例如汽車(chē)后地板，共振頻率在 50-60 H2左右，共振時(shí)發(fā)生敲鼓式的聲音。
改變材料料厚，可以改變固有振動(dòng)頻率;如果料厚不變，則固有振動(dòng)頻率幾乎與板邊尺寸的平方成反比。因此，可以通過(guò)改變板邊尺寸的辦法來(lái)避免共振。最直接有效的是在板上沖壓筋。因為振動(dòng)波總是朝剛性最差的方向前進(jìn)，合理的布置筋可以切斷振動(dòng)波。另外一種辦法是增加加強件，如果不考慮成本和重量因素，此方法非常有效。增加加強件可以有效提高零件剛度。以上兩種方法都可以抑制振動(dòng)，避免共振。
無(wú)阻尼線(xiàn)性系統的一般運動(dòng)可以表達為各階固有振型的線(xiàn)性組合。低階振型對結構的動(dòng)力影響大于高階振型，車(chē)身低階模態(tài)頻率大致在20-50 H2。由汽車(chē)輪胎傳遞到車(chē)身的來(lái)自路面的激勵及發(fā)動(dòng)機在其懸置上的振動(dòng)頻率等，與車(chē)身低階模態(tài)頻率很接近。因此，車(chē)身設計要非常注重結構低階模態(tài)頻率的設計，注意提高車(chē)身整體的剛度和部件的剛度，通過(guò)設計優(yōu)化，使車(chē)身子系統的模態(tài)頻率避開(kāi)激勵頻率，以防止共振。
2車(chē)身結構優(yōu)化實(shí)例
2.1后地板周邊結構介紹
車(chē)身內部有接口和后地板前段搭接，后面和尾端板連接以及左右輪罩相連，外部由備胎和隨車(chē)工具組成。
后地板大而薄，非常容易出現局部模態(tài)。而局部模態(tài)不僅會(huì )引起共振，而且在耐久工況后地板會(huì )出現開(kāi)裂的現象。當樣車(chē)經(jīng)過(guò)物理驗證發(fā)現開(kāi)裂之后，由于受現有結構和模具的限制，需要花費大量的時(shí)間和成本來(lái)解決問(wèn)題。如果前期對此區域進(jìn)行結構優(yōu)化，將模態(tài)提升至30 Hz以上，避免共振，可以有效降低開(kāi)裂概率。
2. 2優(yōu)化方法
汽車(chē)后地板結構的設計，可采用穩健性設計方法。在項目前期開(kāi)發(fā)階段，結合競爭車(chē)型的結構和新制造技術(shù)可行性的研究，選擇合適的方案。經(jīng)過(guò)幾輪普氏分析，結合項目實(shí)際布置情況以鐵制沖壓工藝為基礎，以局部模態(tài)為約束條件，對后地板進(jìn)行設計優(yōu)化。
由模態(tài)分析原理和影響因素，以材料料厚、加強筋的形式和深度以及后地板和五號梁的加強件為控制因子，以料厚公差為噪聲因子，建立模態(tài)/重量的輸出正交試驗列表。
以后地板的局部模態(tài)和重量為設計目標，按正交列表給出的因子組合情況進(jìn)行CAE模擬計算分析。
3結果分析
為了明確各變量對后地板模態(tài)和重量的影響程度，進(jìn)行方差分析，計算設計變量不同水平的各種組合在噪聲因子影響下的信噪比和輸出平均值，輸出點(diǎn)圖，找到最優(yōu)組合。信噪比(SlN)是測量需要的輸出響應和非需要的輸出響應之比，它是穩健性的相對衡量，其計算公式如下4結論
(1)根據模態(tài)分析定義和原理以及薄板振動(dòng)理論，找出影響大覆蓋件局部低階模態(tài)的主要因素，從而有針對性地進(jìn)行結構優(yōu)化。
(2)結構設計優(yōu)化轉化為性能指標，并結合重量和成本因素定義出合理的目標函數，以實(shí)際制造為約束條件，得出優(yōu)化設計的思路。
(3)以后地板機構為例，應用穩健性設計方法，應用CAE模擬分析手段，進(jìn)行結果分析和驗證。
上述車(chē)身后地板的優(yōu)化設計理論和方法，為車(chē)身結構的設計優(yōu)化提供了一種思路，對車(chē)身結構的局部模態(tài)優(yōu)化有一定的指導意義。
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