某汽车备胎池的模态分析及形貌优化设计

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本文利用CAE分析的方法有效指导了备胎池结构的设计，提髙了结构性能，缩短了研发周期，降低了研发成本。

0 引言

轿车车身后地板部位为放置备胎的地方。因为备胎池为深冲压区域，该部位的材料性能要求较为特殊。一般该处材料的屈服强度比较低，但还要保证其有较好的NVH性能，防止产生振动噪声。一般情况下可以通过增加钣金件的厚度和压制加强筋的方法来提高备胎池刚度和NVH性能。增加钣金件厚度会使车身质量增加，提高了成本并降低了燃油经济性。所以本文通过合理布置加强筋的方式，提高备胎池结构的NVH性能。

本文首先利用HyperMesh软件建立了车身备胎池结构的有限元模型，并对结构的模态进行了分析计算。为了提高备胎池结构的固有频率，通过OptiStruct模块对其进行形貌优化分析。结合材料成型的工艺以及工程设计经验对形貌优化设计结果进行解读和处理，最终确定加强筋布置方式。对比两种结构的固有频率计算结果，结果显示优化后的结构固有频率得到了显著提高。

1 有限元模型的建立及模态计算

1.1 有限元模型的建立

本文利用HyperMesh软件建立了车身备胎池结构的有限元模型，如图1所示。因为只针对备胎池底板进行模态计算及优化，所以只截取并建立了备胎池局部结构的有限元模型。对截取边缘的单元施加边界条件，约束全部自由度。该有限元模型共含有单元26289个，节26289个。

图1 备胎池有限元模型

1.2 模态计算结果

利用OptiStruct求解器对该模型进行了模态频率计算，最终得到该结构的固有频率和模态振型。前4阶固有频率如表1所示，前4阶模态振型云图如图2所示。

经计算得到备胎池底板第一阶固有频率为79.9Hz。设计要求第一阶固有频率不小于90Hz，所以其不满足设计要求。为了提高备胎池底板的第一阶固有频率，需要对其加强筋进行优化。

表1 备胎池结构前4阶固有频率

图2 备胎池结构前4阶模态振型云图

2 备胎池板件形貌优化

为了减少对原有结构的改变，本文在原有加强筋的基础之上进行形貌优化设计。将备胎池板件中未起筋的部位作为优化区域，如图3所示颜色较浅的区域为优化区域。起筋最小宽度为20mm，起筋拔模角为80,最大筋高10mm，相关参数的示意图如图4所示。

图3 备胎池优化区域

图4 起筋参数示意图

优化问题描述如下：

(1)优化目标:一阶模态频率最大化。

(2)设计约束:加强筋的尺寸和单面对称约束。

(3)设计变量：节点相对壳单元中性面法向的扰动。

通过OptiStmct软件对备胎池结构进行优化计算，进过15次迭代最终得到其优化的起筋云图如图5所示。根据颜色的不同，起筋的高度不同。最大的起筋高度达到l0mm，证明优化比较充分。优化后的前4阶固有频率值如表2所示。

图5 OptiStruct形貌优化结果云图

表2 形貌优化后备胎池结构前4阶固有频率

3 修改加强筋并进行性能评估

3.1 修改加强筋

根据OptiStruct形貌优化的结果可知，优化后的模型第一阶固有频率达到了123.7Hz。但是形貌优化得到的加强筋不能直接应用于生产，还需要对加强筋结构进行优化，得到适应生产和成本要求的结构。图6为将优化结果进行修改后的加强筋布置方案。

图6 修改后的加强筋布置

3.2 优化结果性能评估

利用OptiStruct软件对加强筋修改后的有限元模型进行模态分析。得到优化后模型的前4阶固有频率如表3所示，前4阶模态振型图如图7所示。

表3 优化后备胎池结构前4阶固有频率

图7 优化后备胎池结构前4阶模态振型云图

对比优化前后两个结构的固有频率可以发现，相比于优化前的备胎池底板结构，优化后的结构第一阶固有频率得到了显著提高，满足了设计要求。且前4阶固有频率都得到了明显的提高，优化效果显著。

4 结论

本文首先利用HyperMesh软件建立了某轿车备胎池结构的有限元模型，然后利用OptiStruct软件对备胎池结构进行了形貌优化设计。设定优化设计区域和设计要求后通过OptiStmct的迭代求解得到加强筋的布置方案。优化后的备胎池结构拥有了更好的NVH性能，第一阶固有频率得到了显著提高并满足了设计要求。利用CAE分析的方法有效指导了备胎池结构的设计，提高了结构性能，缩短了研发周期，降低了研发成本。

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来源：汽车NVH云讲堂

OptiStruct HyperMesh 振动汽车材料 NVH 钣金

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首次发布时间：2023-04-13

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