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基于NVH性能的平台车身优化设计研究
2019-04-27 00:20:08· 来源：企业科技与发展 作者：许冰，王国春
【摘要】汽车NVH性能的高低是汽车舒适度的主要评判标准之一。汽车NVH工作又由CAE分析与实验两个部分组合，目前，国内汽车企业对汽车NVH性能的提升以后期CAE优化
【摘要】汽车NVH性能的高低是汽车舒适度的主要评判标准之一。汽车NVH工作又由CAE分析与实验两个部分组合，目前，国内汽车企业对汽车NVH性能的提升以后期CAE优化为主，存在工作重复、效率低、成本高等不足。文章提出了一种新的NVH性能优化方法：将车身平台化，采用结构优化算法对平台共用件进行优化，确定一部分合适各种车型的平台共用件，在开发新车时调用此平台，确保了一定的车身NVH性能。文章采用了该方法对某车身平台进行了优化分析，新车型调用该平台后，车身NVH性能的优化的工作量大幅度减少。
【关键词】车身NVH；车身平台化；优化分析
引言
近年来，国内汽车行业的发展越发成熟，行业内激烈的竞争与人民生活水平提高后对生活品质的追求，促使车企对汽车乘坐的舒适度越来越重视。因此，对车身NVH性能的要求越要越高。NVH即N-Nosie噪声、V-Vibration振动、H-Harshness声振粗糙度，是一个评估汽车舒适度的标准。它不像其他汽车性能需要专业工程师用仪器做分析才能得到一个结果，它能直接反映给任何一位乘车人员。有研究表明，长期处于噪音环境下会对我们的心理有很大的不良影响，甚至影响人的听力。这里的噪音不仅指人类可听到的噪声，它还包含一些低频噪声。除此之外，还有一些人体无法明确感受到的低频震动，也会对车内乘员造成不同的影响，如晕车、疲劳等。因此，车身NVH性能的优化在今后的车身开发中会愈发重要。
由于具有国内NVH技术还不成熟，在车身前期开发的时候不能把控NVH性能，只能在后期通过优化车身结构提升车身固有的自然模态，防止声固耦合模态与激励频率一致造成巨大噪声。除此之外，还要对车身关键点的动刚度优化分析、TB模型的模态优化分析等进行提升。由于车身主体框架结构已经锁定，一些结构已经很难再修改替换，方案有效却不一定能实施，所以对NVH性能的优化提升，往往能达到事半功倍的效果。
为了提升工作效率，本文将NVH性能优化分析与车身平台化开发策略结合，建立车身同底盘平台模型，以车身刚度模态为目标函数，利用集成优化软件进行研究计算，得到一个刚度模态性能最优的车身底盘。在开发新车型时，直接调用该底盘数据进行构架车身，在前期开发就保证了车身的刚度模态性能，后期只需不断优化上车体的结构，以此达到设定的车身NVH目标，实现了缩短开发周期的目的，对汽车行业的发展有很大的意义。
1 平台化车身开发理论
目前，国外汽车公司为达到低成本开发、快速生产、迅速占领市场的目的，都已经使用平台开发策略开发新的车型。例如，“大众”汽车以发动机的布置为核心，建立模块化发动机平台，它将发动机与油门踏板的距离及发动机和前轴的距离进行固定，只要调节车身其他尺寸就能得到一个新的车型。除此之外，还有“本田”的下车体模块化平台化开发策略、基于已有CAD模型策略等不同技术核心的平台化开发策略。
虽然各个车企的平台化设计核心不同，开发策略也不相同，但理论核心是不变的，都是将车身某一区域板件进行锁定作分析模块对象，然后以某一项车身性能作为响应，将不同的车型作为约束，最终以最优性能为目标进行优化分析，得到一个在各种车型中该车身性能都能达到最佳的车身。本文就是基于这个理论进行基于NVH性能的平台车身优化设计研究。
2 基于NVH性能的平台车身优化设计研究流程
本文建立了车身同底盘平台模型，对从此平台开发的不同车型进行刚度模态数据分析，选取共用板件，并将这些板件进行厚度与尺寸的优化分析，从而得到具有最优刚度模态性能的车身底盘。流程图如图1所示。
（1）选取使用同样车身底盘模型的不同车身数模，如基于此车身底盘开发的SUV车型与MPV车型。它们底盘的大部分梁截面尺寸与板件厚度都是一致的，是这次研究的主要优化点。
（2）以NVH性能的刚度模态为优化上下限，先将选中的车型分别进行灵敏度分析，确定性能贡献量大的板件，目的是为了减少后期优化计算的时间。
（3）考虑制造工艺与制造成本等因素，为板件设定合理的参数，并采用最优拉丁方计算方法进行重新排列组合，形成N组不同的参数组。
（4）利用集成优化软件将设定的参数输入选定的模型进行NVH刚度模态计算，为保证模态数值的准确性，需采用模态追踪法，读取模态的频率。
（5）结果对比，结合组合参数输入的合理性，确定一组最优参数解，将参数更新至选定的车身底盘，从而得到一个新的车身底盘平台，在此平台车身的基础上开发新的车型，解决前期开发中NVH性能较差及后期优化工作量大的问题。
3 基于NVH性能的同底盘平台优化设计
3.1 平台化底盘 模型的建立
依据平台化车身建立的原理，本文对多款车型进行平台化模型建立，其总成的框架划分如图2所示。
本文主要是对前车架和后车架总成进行研究。将已有车型的白车身有限元模型进行对比，对车身部件进行分类，结合平台模块设计理念及分析经验，选定下车体中的框架结构作为优化对象，因为框架结构是整车车身的“骨架”，直接影响整车性能。对已有平台的SUV及MPV的下车体进行结构对比，共用部分将作为同平台车身的优化部件，其中共用的框架结构如图3所示。
3.2 平台化车身结构优化设计
机械工程领域中为了让某一个性能达标，工程师除了根据自身多年的经验外，还会使用一些优化方法对车身结构进行有效优化，大致可分为拓扑优化、形状优化、尺寸优化。在此，我们采用尺寸优化方法对上文所选定的对整车性能影响较大的下车身框架结构进行优化，主要为横梁、纵梁，进行Hyper Morph结构变形设计（如图4所示。）
确定了截面尺寸优化的部件后，为了方便数据的输入，以及方便叙述，将共用部件分别命名为Beam1、Beam2、Beam3、L_Beam1、R_Beam2。X、Y、Z3个不同方向的变形及变形的范围也要区分设定（见表1）。
为了让模型的优化更全面，本文不仅设计横梁与纵梁的截面大小优化，还对板件的厚度进行优化，将共用的部件分别按不同的厚度进行一定排序命名，即A_T70、B_T70、A_T100等。改变板件厚度的设计如图5所示。
选定了厚度优化的部件之后，为了保证优化后的零件能正常制造，还要结合制造工艺的规范要求对厚度变化的尺寸进行一定的限制。尺寸优化变化表见表2。
综上所述，本文通过对已有车型的下车体框架结构进行对比，选定对性能影响较大的车身框架结构，确定优化部件。对部件结构的截面尺寸和厚度进行优化，提升平台化车身的NVH性能。
3.3 平台化车身NVH性能设计
本文为了使研究设计的成果能清楚地展示，只展示了白车弯曲与扭转刚度模态方面的优化设计。
（1）扭转刚度，即整车抵抗扭转变形的能力，是扭转力矩与角度变形的比值，衡量的是驾驶员对车的跟随感。扭转刚度越大，车身的扭转角度就越小，跟随感就越好，反之则驾驶感越差。从而，通过对车身扭转刚度的优化，提升白车身的NVH性能。模型的分析加载如图6所示。
约束前防撞梁中心自由度3；约束后悬左侧自由度13；约束后悬右侧自由度123；在前悬左右分别施加一个Z向向上、向下的力，大小为F，白车身扭转刚度计算公式如下：
公式（1）中，T为前悬中心所加载的扭矩；θ为扭转工况下白车身的扭转角度。
公式（2）中，F为前悬点所加载的沿z向力；L为载荷加载点之间的距离，即前悬中心点之间的距离。而在仿真计算的过程中，需要消除白车身整体加载后自身的扭转误差，运用对应前悬与后悬梁测点的位移，可以计算出白车身仿真的扭转角度，其计算公式如下：
其中，zfl、zrl、zfr、zrr分别为左右前后悬对应梁测点的z向位移，Lf、Lr分别为前后悬对应测点距离。
（2）弯曲刚度。整车在使用过程中，需要承载来自乘员及货物等所产生的垂直方向上的力，为了有效地控制弯曲变形，弯曲刚度需要满足一定的指标，模型的分析加载如图7所示。
约束左右侧前悬自由度123，左右侧后悬约束自由度3，在每个座椅的乘坐人员的重心点施加载荷F，沿Z向向下，白车身弯曲刚度计算公式如下：
公式（4）中，FΣ为加载载荷沿Z向的合力，δmax为施加力之后所得的白车身梁沿Z向最大位移，需要通过如下公式得到：
公式（5）中，δ1max、δrmax分别为左右对应梁最大位，δfl、δfr分别为前悬对应测点在载荷力作用下的位移量，δrl、δrr分别为后悬对应测点在载荷力作用下的位移量。
（3）模态分析，主要求自然频率和振型。自然频率：结构在受到扰动后，趋向于以自然频率振动。振型：在某个自然频率下，结构的振动形态，其分析理论如下：
从上式可以求出n个实根λ，对应求得系统有n个固有频率ω，将代入公式（8）中可解得｛A｝。
3.4 车身结构优化模型集成设计
根据前文的设计，要使研究成果具有有效性，我们必须保证对SUV与MPV进行相同的优化变形。加载相应的刚度模态工况进行计算分析，分别输出优化车身的结果，并且输出性能结果，从而完成所有试验样本的性能计算。对比样板模型的性能，选择最优的结果，将对应的设计参数应用于之前选定的底盘件进行优化变形，优化变形后的底盘平台用于开发新的车型，达到了本文研究的预期目的。车身结构优化模型集成流程如图8所示。
基于研究设计的需要，本文选用Isight软件对优化设计过程中所需要的各个软件进行相关的集成（如图9所示）。
在试验设计阶段利用Isight集成软件的最优化功能对前期设定的参数进行最优拉丁方排序组合，使其样本分布更加均匀，从而使拟合更加精确真实地反映因子与响应之间的关系。图10为各种试验设计方法样本点选取图，最优拉丁超立方设计使样本点分布更加均匀。
将前期设定的参数进行最优拉丁方取样（见表3与表4）。
在最后的结果提取中直接输入刚度计算的公式，将扭转、弯曲的刚度计算出来，但是模态的输出可能存在跳阶，读取的模态振形与设定的模态振形不一致，导致结果误差大。为防止这种情况的发生，在计算过程中还得设定模态追踪识别，其理论具体如下。结构优化之后第i阶模态的MAC表达式：
其中：base［j］为基础模态的第j个特征点的位移；RESULT［i，j］为所需识别第i阶模态第j个特征点的位移。对于不同的模态振型，MAC值有如下特点：
通过跟踪每次结构优化之后各阶模态的MAC值进行相应的跟踪，选取其中MAC接近于1的模态，以保证识别出的模态振型与基础模态振型一致。
3.5 研究成果
经过前文的设计与计算，得到相关样板的计算结果，将结果进行后续对比处理，得到如图11与图12的曲线图。
由结果曲线图得知，梁截面变化样本集的第七组数值和厚度样本集的第四组数值是最优解，从图11与图12中提取相应的参数，对本文选定的车身底盘平台按此参数对应的部件进行优化变形，变形后的车身底盘平台即本文基于NVH性能的平台车身优化设计研究的最终成果，后期在该平台上开发SUV或者MPV车型，只需要优化上车身就能快速地达到前期设定的刚度模态目标值，保证了整车NVH性能，缩短了开发周期，减少了开发成本。
4 结论
（1）本文将NVH性能优化分析与车身平台化开发策略相结合，建立车身同底盘平台模型，以车身刚度模态为目标函数，提出了一种新的NVH性能优化方法，在前期对车身平台进行优化，后期开发在优化过的白车身平台件上进行，缩减了后期开发的成本与开发周期。
（2）建立平台化底盘模型：根据车身平台化建设原理，将NVH性能灵敏分析数据与分析经验相结合，确定对NVH性能贡献较大的零部件，并考虑制造工艺与装配工艺，最终确定优化的参数范围。
（3）建立了车身集成优化模型：采用Isight软件将变形软件与分析软件、结果处理软件相结合，对SUV白车身与MPV白车身中的共用零部件进行优化分析，不同的样本产生不同的分析结果，选择最优的结果的样本值对平台化底盘进行优化变形，达到了本文基于NVH性能的平台化车身优化设计研究的目标。
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