白车身质量块安装点动刚度分析与优化
高云凯 汪 翼 林 典 余海燕
) 到质量块安装点的源点加速度响应(曲线, 并且判断出动刚度相对较小的频率段㊂ 通过对I I P I P I 曲线峰值产生原因进行分析, 分别选择尺寸优化和拓扑优化的方法对质量块安装点的动刚度进行优化㊂ 结果表明, 采用尺寸优化和拓扑优化的方法进行优化设计可提高质量块安装点的动刚度㊂
关键词:质量块安装点; 动刚度; 源点加速度响应; 尺寸优化; 拓扑优化) 中图分类号:U 463. 82 文章编号:1004 132X (201006 0721 04
D n a m i c S t i f f n e s sA n a l s i s a n dO t i m i z a t i o n f o rB o d -i n -w h i t eM o u n t i n o i n t s y y p y g P
G a oY u n k a i W a n i L i nD i a n Y uH a i a n g Y y
, , T o n iU n i v e r s i t S h a n h a i 201804g j y g
摘要:建立了某A 级车白车身的有限元模型, 对白车身的各质量块安装点分别进行动刚度分析, 得
同济大学, 上海, 201804
i n t h es i t u a t i o no f l o w d n a m i cs t i f f n e s s w e r eo b t a i n e db n a l z i n h ed n a m i cs t i f f n e s so ft h e y y a y g t y i n t r o d u c e d t o i m r o v e t h e d n a m i c s t i f f n e s s o f t h em o u n t i n o i n t s . T h e r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h a t t h e p y gp t o o l o t i m i z a t i o n p g y o p
m o u n t i n o i n t s w i t ht h e m e t h o d o fI P I . T h es i z e o t i m i z a t i o n a n dt o o l o t i m i z a t i o n w e r e gp p p g y o p i n t r o d u c t i o n t o t h e s e o t i m i z a t i o nm e t h o d sm a k e s t h e d n a m i c s t i f f n e s s i m r o v e d . p y p
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c u r v e s o f I P I o f t h em o u n t i n o i n t s a n d t h e r a n e s o f f r e u e n c i e s i nw h i c h t h em o u n t i n o i n t sw e r e gp g q gp
:) A b s t r a c t A F E M m o d e l o f t h eB I W (b o d i n -w h i t e o f ac l a s sv e h i c l ew a sc o n s t r u c t e d . T h e y -
0 引言
度与材料特性之间的关系, 拓扑优化后得到单元
5‐ 6]
㊂ 密度值, 且优化后的结构比较清晰[
指标㊂ 在车身结构中, 一些关键的质量块安装点是车身振动的重要来源㊂ 这些质量块安装点的动刚度对车内振动和噪声有着巨大的影响, 因而对其动刚度进行分析和优化具有十分重要的工程意]义㊂ 文献[建立了评价动态特性的速度频率响1应函数, 利用P o i n t M o b i l i t y 方法对算例进行了]模拟计算; 文献[阐述了质量块安装点动刚度的2研究方法, 其中包含了模拟计算与试验的对比㊂
有限元方法运用离散概念, 把连续体划分为有限个单元的集合, 通过单元分析和组合, 考虑边界条件和载荷, 得到一个方程组, 求解此方程组获
]3
㊂ 结构优化中的形状优化是通过修得相应指标[
汽车的N V H 性能是近年来备受关注的性能
笔者运用H e r m e s h 软件中的O t i S t r u c t y p p
模块, 建立了某A 级车白车身的有限元模型, 对白车身与副车架的两个连接点(副车架前支架安装点和副车架后支架安装点) 以及白车身与动力总成连接点(发动机安装点和变速器安装点) 分别) 分析㊂ I P I
, 进行了源点加速度响应(i n u t p o i n t i n e r t a n c e p
1 质量块安装点动刚度评价方法
I P I 分析是评价车身质量块安装点N V H 性能的重要方法, 用于考察车身与发动机㊁ 悬架连接点局部动刚度这一重要指标, I P I 的计算公式为
式中, F 为质量块安装点所受载荷; K a 为质量块安装点动刚度; a 为加速度; ω 为圆频率㊂
222
f ) x ω 2π
I ===P I =
F K a K a
改结构尺寸来达到优化目的的; 而拓扑优化可引导设计者去考虑最有效的载荷路径, 而不仅仅从现有设计方案去考虑, 使复杂结构和部件可灵活㊁ 合理地进行优选, 以获得最佳效果
[]4
拓扑优化方法中, 变密度法是人为地建立材料密
收稿日期:2009 06 12
) ; 基金项目:国家自然科学基金资助项目(上海市数字50705067) 化汽车车身工程重点实验室开放基金资助项目(2008005
㊂ 在常用的
2 有限元建模
轿车白车身主要由冲压板件焊接而成㊂ 根据某公司提供的几何模型, 抽取冲压板件的几何中面, 采用壳单元进行网格划分㊂ 为了在拓扑优化
㊃ 721㊃
2162010310mm× 10mm ㊂ 各冲压板件以及各总成之间的
焊点用C W E L D 单元模拟㊂ 胶接结构采用体单壳单元3体单元8386526个, 69312个, 28个, C W E L D 单元4925个㊂
中得到清晰的结构, 基本的网格尺寸取为
元模拟㊂ 最后建立的有限元模型(图1) 共有节点
图1 白车身有限元模型
白车身质量块安装点局部动刚度分析
对白车身上四个质量块安装点(包括连接白车身和副车架的副车架前支架安装点和副车架后支架安装点, 用于连接白车身和动力总成的变速器安装点和发动机安装点, 如图分析㊂ 由于车身结构左右基本对称2所示) 进行, 所以只分析I P I 一侧的副车架前/后支架安装点的动刚度
㊂
图2 质量块安装点位置
白车身分析模型无约束, 为自由状态㊂ 将每
个分析点的每个方向(X 载荷为㊁ Y ㊁ Z 为一个载荷工况() 的激励载荷定义为关注的中低频率范围) 1N 的集中力, 频率范围, 同时, 将激励点定义为响应点, 且响应自由度与激励自由度相同, 得到相应的加速度响应, 并且通过数据处理得到线, 如图3~图7所示㊂
I P I 曲图3 副车架前支架安装点I P I
曲线
㊃ 722㊃
图4 副车架后支架安装点I P I
曲线
图5 发动机安装点I P I
曲线
图6 变速器安装点I P I
曲线
图7 发动机安装点Y 方向I P I 曲线
从图副车架前支架安装点3㊁ 图5和图㊁ 6可以看出, 在发动机安装点和变速器安30H z 左右,
装点在Z 方向过了等刚度曲线I P I 曲线都出现了峰值并且大大超㊂ 对比白车身模态分析结果, 发现此处峰值由白车身的整体扭转振动引起㊂ 从图左右副车架后支架安装点的4所示的分析结果可以看出, 在50H z
7Z 方向所示的分析结果显示I P I 曲线出现了较大峰值, 另外, 图, 在
3
高云凯 汪 翼 林 典等白车身质量块安装点动刚度分析与优化
100H z 左右频率段上发动机安装点的Y 方向的
I P I 曲线出现了较大的峰值㊂ 对比白车身模态分析结果, 发现这两处I P I 曲线的峰值分别是由白车身整体二阶弯曲模态与前舱部分水箱框架和前风窗下横梁的局部模态引起的㊂
4 尺寸优化
考虑到改善白车身整体扭转的振动特性需涉及较多的板件, 无法仅依靠在个别板件采取局部加强措施来完成, 所以采用以白车身板件厚度作为优化变量的尺寸优化方法来减小副车架前支架图9 优化前后副车架前支架安装点Z 方向I P I 曲线
安装点㊁ 发动机安装点和变速器安装点在左右Z 方向I P I 曲线的峰值㊂
30H z 为了减少尺寸优化的变量数目, 首先对白车身可进行更改的度分析, 得到对三10个4个主要板件的板厚进行灵敏质量块安装点Z 方向上曲线峰值影响显著的部件㊂ 为了不减弱白车身静I P I
态刚度, 选择其中加速度响应减小的9组(图板件尺8寸) 作随板厚尺寸增大为尺寸优化的而变量㊂ 以副车架前支架安装点㊁ 发动机安装点和变速器安装点三个质量块安装点在相应工况下所对应的加速度响应值幅值的最大值作为优化的约束函数, 质量最小作为优化目标㊂ 考虑到实际生产的需求, 将优化后的尺寸圆整, 且圆整值取原设计中所采用的板厚系列中的值㊂ 优化和圆整结果见表21所示㊂ 修改后重新进行㊂
I P I 分析,
结果如图9~图图8 厚度尺寸作为尺寸优化变量的9组板件
表1 尺寸优化和圆整结果
mm
优化变量初始值优化值圆整值
前铰链立柱内板11. . 01. 0
1上边梁内板0
11. 0后窗台板
00. 0. 0后风窗下横梁上板
0. 651. 086
41. 后围板0. 1. 665. 250. 436130. 8
5上边梁外侧加强板
1. 1. 8360421. 8后立柱内板0后窗台侧板0. 650. 1. 前风窗下横梁上板
0. . 66550. 4. 912878431. 2. 40 ~0. 8
从图9图修改后三个质量块H z 1左右频段内的1可以看出:
安装点在30Z 方向I P I 曲线峰
图10 优化前后发动机安装点Z 方向I P I 曲线
图11 优化前后变速器安装点Z 方向I P I 曲线图12 优化前后发动机安装点Y 方向I P I 曲线
值均明显减小, 达到了提高动刚度的目的㊂ 修改后质量增加了量增加不超过4. 3, 并没有超过5另外, 如图5k 1g
2) 5所示㊂ k g k g (要求质, 在10I 0曲线高出等刚度曲H z 左右频率段上发动机安装点在Y 方向的线部分也下降到等刚度曲线以下I P , 不需要再针对其进行优化㊂
㊃ 723㊃
1
中国机械工程第21卷第6期2010年3月下半月
5 拓扑优化
这是由白车身整体二阶I P I 曲线出现较大峰值,
弯曲模态引起的, 可以通过局部加强个别部件来降低相应质量块安装点在此频段内的响应㊂ 采用拓扑优化的方法找出关键部件上的材料最优分布, 根据拓扑优化的结果来修改设计, 最终达到提高相应质量块安装点动刚度的目的㊂
对白车身主要板件的板厚进行灵敏度分析, 得到对此频段内副车架后支架安装点在Z 方向图15 修改前后副车架后支架安装点Z 方向I P I 曲线
在50H z 左右副车架后支架安装点的Z 方向
结论
上优化的优化空间I P I 曲线峰值影响显著的部件, 将其作为拓扑㊂ 最终作为优化空间的部分有:
中立柱外侧加强板㊁ 中立柱内板㊁ 门槛梁外侧加强板和门槛梁内板(图点的Z 方向加速度响应最小为优化目标13) ㊂ 以副车架后支, 架并且将安装优化空间的体积分数作为约束函数
㊂
图13 作为拓扑优化空间的板件
根据拓扑优化结果对原模型进行修改㊂ 在对应的位置(如在中立柱外侧加强板下部㊁ 在拓扑结果中材料聚集的地方) 设置新的加强筋或适当延长加强筋(图14
) ㊂ 图14 中立柱外侧加强板下端拓扑优化结果
修改后重新进行析结果表明:副车架后支架安装点的I P I 分析㊂ 图15所示的分
0H z 左右Z 方向I P I 曲线在
I P I I 曲线几乎没有变化P I 曲线出现的峰值明显减小,
其他频段内的㊂ 由于模型修改是采取增加或延长加强筋等方式, 故质量几乎没有增加
㊂
㊃ 724㊃
6 (1) 运用I P I 分析的方法可以评价白车身质
量块安装点的动刚度, 为提高质量块安装点动刚度的修改设计提供参考㊂
I P I 峰值(2
) 由,
可白以车通身过较尺低寸频优率化的的整方体法模对态其产进生行的优化, 达到提高质量块安装点动刚度的目的㊂ 态产生的(3) 由白车身较高频率的整体模态或局部模I P I 峰值, 可以通过拓扑优化的方法寻找白车身板件局部修改方案, 并且不需要付出质量增加的代价㊂
参考文献:
[1] 王志亮,
刘波, 桑建兵, 等. 动刚度分析在汽车车身结构设计中的应用[30‐ 31.
J ]. 机械设计与制造, 2008(2)
:[2] K A i t t m a c h K m , C h o i I . D e s i g nO p t i m i z a t i o nA n a l y s i so fB o d y
3 S 高云凯A EP a p e . e n r t , 2f 0o rN 03‐ 0V 1‐ H 16P 04e r f 分. o r m a n c e I m p
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范子杰, 桂良进, 等研究[J . 多工况客车车架结构多刚度拓扑优化设计(6) :531‐ 533.
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D ]. [6] 王建多工况应力约束下连续体结构拓扑优化设计研究.
[D ]. 大连:大连理工大学, 1997(.
编辑 袁兴玲)
作者简介:高云凯, 男, 1963年生㊂ 同济大学汽车学院教授㊁ 博士研究生导师㊂ 主要研究方向为车身结构设计与分析㊂ 出版专著1部, 发表论文20余篇㊂ 汪男男 翼, , , 1985年19生86年生㊂ 同济大学汽车学院硕士研究生㊂ 林 典, ㊂ 同济大学汽车学院硕士研究生㊂ 余海燕, 女, 1976年生㊂ 同济大学汽车学院讲师㊂
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