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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......
在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）；
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。
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......
在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）；
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。
- 下一篇：NVH理论基础分析：车身整体刚度
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