【干货】白车身及关键子系统的有限元模型搭建与模态试验结果对标！

对于白车身有限元模型，单元划分尺寸越小计算结果越精确，但由于时间和计算资源的限制，单元基本大小要有一定限度。在对车身进行有限元网格划分时，根据分析目的的不同并结合模型特点，选择合适的单元类型和单元尺寸，这一过程将直接影响到前处理的工作量和后期计算时间。根据企业内部标准，本文中建模采用的基本尺寸为10mm，最小单元控制到4mm，钣金件采用Shell单元，铰链采用实体Solid单元，螺栓采用Rigid单元。

在划分完网格并给车身结构赋予材料属性后，就要进行仿真分析中连接关系这一重要环节的模拟，材料特性见表1。车身上各零部件大多是通过点焊、缝焊及粘胶连接而成，部件之间的连接关系需反映出实际车身结构的特点，由于在进行模态分析时，不考虑结构中焊接的失效，通常都假设焊接连接是绝对可靠的，在保证力学特性不变的前提下，采用ACM单元来模拟焊点，Rigid单元模拟缝焊，Glue单元模拟粘胶。在使用刚性单元模拟焊缝连接的过程中，被连接板上对应焊点之间的连线应保持与连接板面垂直，以便更好地模拟焊点的连接特性。使用Hypermesh中的Connector焊接处理模块，通过输入焊接文件即可快速创建焊点，并能方便地修改焊接单元类型。白车身模型如下图1。

表1 材料列表

图1 白车身模型

试验模态分析是基于激振力和系统响应的动态测试，通过对系统施加激振力，采集系统输出的响应数据，再经信号处理和参数识别以确定系统模态参数的一种试验方法。本文采用客车空气弹簧来支撑试验对象白车身，使其处于近似自由状态，试验采用固定激振器,使用单点激振、多点拾振的方法，采用脉冲随机信号进行激振并对采样信号进行多次平均降噪处理。试验中主要研究60 Hz 以下的低频模态[2]。在试验中，为了将感兴趣的模态激励出来，激励点选在能够使能量传到车身各个位置的刚度较大处，如前纵梁；加速度传感器均匀布置在车身的关键节点处。白车身模态试验示意如图2所示。

图2 白车身模态试验

在白车身模态试验时，各测点的试验数据采集与处理同步进行，每完成一组数据采集，首先对其进行相关分析，相干函数基本在80%以上的信号为有效；第二步对符合要求的信号进行传递函数处理。白车身系统试验测点如图3 所示。从信号的相干性及各振型连续性结果来看，模态试验数据是可靠的，反映了该车身的动态特性，可以为有限元分析计算模型的修改提供可靠的试验依据。

图3 试验测点图

从结果对比来看，白车身各阶关键模态试验与仿真结果比较接近，显示出钣金结构及焊接方法上CAE建模的精度是比较高的，能够比较准确的得到白车身级模态参数。试验结果与仿真分析的对比如下：

表2 白车身模态仿真及试验结果对比(单位：Hz)

重要阵型对比图如下所示：

在白车身对标结果完成后，进一步针对上车身开闭件和转向系统等关键系统进行CAE建模和模态分析，并结合试验结果验证开闭件和转向系统的建模方法是否与实际吻合。试验中，各开闭件是采取弹性绳悬吊或内胎支承的方式模拟CAE计算中的自由释放状态；转向系统试验是在整车状态下进行的，仿真分析中对应的方式截取前段车身进行计算，仿真模型及试验情况如图8-13。试验中因为各系统质量较轻，采取力锤激励。

对比结果显示仿真分析所使用的模型与实际模型是基本一致的，计算结果是真实可信的。具体结果见表3-7。

表3 前门模态结果数据对比分析(单位：Hz)

表4 后门模态结果数据对比分析(单位：Hz)

表5 背门模态结果数据对比分析(单位：Hz)

表6 前机舱盖模态结果数据对比分析(单位：Hz)

表7 转向系统模态结果数据对比分析(单位：Hz)

从上述结果来看，各关键子系统的关键模态频率与振型具有较高的一致性。但前机舱盖的模态仿真分析结果普遍较实验结果偏低，初步分析这一现象与机盖包边的CAE处理方法有一定关系。

随后，进一步建立了带内饰车身仿真模型并完成了带内饰车身的模态试验，为保证对标结果的精度，试验车辆与仿真模型进行了仔细的部件状态清点并称重[3]。有限元模型重量921.0kg，试验车辆重量为924.8kg。试验中，上车体由于重量过大，有别于白车身模态试验，采用六点空气弹簧支承的方式，激励点仍然选择在前纵梁处。仿真模型及试验状态如图14，图15，试验中共布置测点40个，测点情况如图16所示。

图14 Trimmed body FEA模型

图15 Trimmed body  EMA模态试验状态

图16 Trimmed body EMA模态试验模型

主要模态对标结果如表8所示：

表8 带内饰车身模态结果对比(单位：Hz)

从上表中可以发现：

1. 车身的整体弯、扭模态对标结果基本一致（偏差控制在5%左右），且偏差方向一样，均为仿真模型的结果略高于试验结果。采用的建模方法对于整体弯、扭模态具有较高的精度；

2. 开闭件模态频率数值偏差较大，较单体自由状态下的对标结果也更大一些，且偏差方向不一致。进一步分析认为：车门密封条的模拟是导致这一结果的关键因素，其较强的材料非线性及结构非线性使得模拟结果与实际出现了比较大的偏差，门锁的差异性也会带来一定的影响。按照目前常规的线性分析手段来解决这一问题比较困难。准确获得开闭件系统在整车上的模态频率应主要使用试验的手段，预测单体自由状态下的模态结果是可以使用仿真方法的。

参考：

[1]范习民，陈剑，等。基于系统工程原理的汽车NVH正向设计流程[J]，农业装备与车辆工程，2007：vol.7。

[2]杨英，赵广耀，孟凡亮。某轿车白车身模态分析与试验研究[J]，东北大学学报（自然科学版），2008：vol.27。

[3]穆国宝, 张丰利，陈剑。基于有限元法的白车身模态和刚度研究[J]，机械设计与制造。2010：Vol.4。

[4] 庞剑，谌刚，何华。汽车噪声与振动一理论与应用[M]，北京理工大学出版社，2006。

[5] 陈剑, 穆国宝, 张丰利。汽车NVH正向设计中的系统模态匹配策略研究[J]， 汽车工程, 2010：vol.32。

[6]黄天泽，黄金陵。汽车车身结构与设计[M]，机械工业出版社，北京，2000。

[7]田得旺，田冠男，等。汽车转向系统避免怠速共振的模态优化方法[C]，MSC中国用户论文集，2007。