简单分析白车身(BIW)弯曲刚度问题

2018-04-23 09:28:47·  来源:汽车NVH仿真  作者:燃烧的腿毛  
 
汽车在行驶的过程中,由于路面激励范围一般在20Hz以下,四缸发动机怠速转速750r/min对应二次发火频率为25Hz,如果整车的一阶弯曲模态频率又刚好接近25Hz,整车就会由于共振出现大幅值的振动响应以及噪音响应, 严重影响汽车NVH性能。
汽车在行驶的过程中,由于路面激励范围一般在20Hz以下,四缸发动机怠速转速750r/min对应二次发火频率为25Hz,如果整车的一阶弯曲模态频率又刚好接近25Hz,整车就会由于共振出现大幅值的振动响应以及噪音响应, 严重影响汽车NVH性能。为了达到良好的避频,我们一般向上避开激励频率3 Hz以上,保证整车一阶弯曲模态频率至少达到28Hz.(对于最近流行的电动车,由于没有了发动机,主来的激励来源变成路面以及电动机的激励)。

我们知道结构的共振频率是结构的固有属性,它由结构的刚度与质量共同决定,刚度越大,结构的固有频率越高;质量越小,结构的固有频率也越高。它们的关系可以简单表示为:



为了使汽车一阶弯曲模态频率控制到 28Hz 以上,我们可以通过以下手段:

减重,采用板件厚度灵敏度分析手段降低整车的质量(减少质量 m);
优化钣金件形貌,改善加强筋分布,更改材料,增加支撑等方式提高结构的刚度(提高车身刚度 k);
使质量块尽量安装在弯曲模态节点附近(减少模态参与质量);
加阻尼 - 质量块抑制振动等等......

NVH性能开发前期,我们会把车身弯曲刚度分析放在白车身上进行(而不是放在内饰车身或者整车上进心),这是由于白车身是整车和内饰车身的基础,所有的部件最终都在这个基础上安装,白车身的弯曲刚度性能的好坏决定整车的性能。在这里我们注意到,白车身弯曲刚度性能是一个很重要的NVH性能指标,它直接影响到一阶弯曲模态的频率值。到现在我们知道为什么在开发整车NVH性能的时候要对汽车进行白车身弯曲刚度分析了吧?

BIW弯曲刚度性能指标:

对于不同的车型,白车身弯曲刚度的范围一般不同,
带前挡风玻璃经济型轿车,其白车身弯曲刚度范围:8000 ~ 12000N/mm;
带前挡风玻璃中高级轿车,其白车身弯曲刚度范围:10000 ~ 16000N/mm;
带前挡风玻璃SUV,其白车身弯曲刚度范围:8000 ~ 14000N/mm.

仿真分析边界条件:
在性能开发的过程中,一般仿真结果都需要与标杆车,样车进行实验对标。也就是说,为了保证仿真结果与实验结果的对标精度,仿真过程中设定的边界条件需要与实验过程中的保持一致。

一般,对于白车身弯曲刚度实验过程,我们会约束前悬安装点处1,2,3自由度(x, y, z 三个方向的平动),而在后悬安装点处约束所有自由度,然后在门槛梁两侧前后悬安装点x向的中点位置,施加2500N 的垂直向下的力。

所以在仿真分析过程,对应的分析边界条件为(如下图所示):

使用constraints - SPC约束前悬支撑杆末端1~3自由度(如下图蓝色三角形所示);
使用constraints -SPC约束后悬支撑杆末端1~6自由度(如下图蓝色三角形所示);
使用forces在门槛梁两侧上前后悬安装点x向的中点位置Z向各施加 -2500N载荷(如紫色箭头所示);

简单分析白车身(BIW)弯曲刚度问题

仿真分析工况:

对于刚度类分析,采用的计算方式为静态力学,简单说就是在模型施加一个力 F,求解在该载荷下结构的位移响应 d,通过公式 k=F/D 即可计算出结构的等效静态刚度值 k.

详细设置:

loadsteps 选择分析类型type 为 linear static(静力分析),附上SPC与LOAD;
在control card - global_output_request上选择输出位移(dis)与应力响应(stress)结果;
在control card - sol上选择statics;
在control card - param上选择autospc : yes, post : -1;

详细的分析程序代码如下图所示:



计算结果后处理:

把计算模型提交给 Nastran 计算,得到计算结果如下图所示:



有计算结果看到,门槛梁两侧前后悬安装点x向的中点位置的Z向位移响应为:

D1 = -0.46558 mm;
D2 = -0.45136 mm.

平均位移响应为:D = -0.45847 mm

所以该车型在优化前,白车身弯曲刚度:k = F/D = (2500*2)/0.45847 = 10906N/mm

在整个分析过程中,约束的边界条件是施加在前后悬支撑杆上,如果我们想得到纯白车身的弯曲刚度,我们需要把支撑杆的Z向位移考虑进去,简单来说,就是把门槛梁平均位移减去支撑杆的Z向位移即可。
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