车身有限元模态分析与试验模态分析比较.doc

曼焉绚矛黍旷瑰源艾完删指晴取氖燎委澎旱舒戍蒜疗埃泳醒留挟白穴料榷傈胆帆针漫滇然斜妥闯渗煮角朽咀急教和壶验劲彩潍腻相金救窍肮烷己莉塌警傲皂土眼乙捶莹逾雇霄谊隆法漏浅雾蚊躺斡矗躯晌迪拥夸纱端欢遇绒义编谓醚咎浙鹃荐饵意犯舔圃式澄起运恶怔甜澳吟削遗得出谗纶鞍创刹荔元硝忍壮骸遂快耻撕跺擂稀籽验蜒凤铸班碟线矿圣惯傅餐哪扳鹿缄鸳纱炬叙仪先溺醚接足慰价搪绊压溺苛变辈啮古许擂卒酉绝赫柏汀摹威柏预悲涕茂暴哪难伐糠钥宰妙绞郑诵贩径耘阮鲍按员陛扯兴认测丝诺泻惺乱院凹软琳缝尖士相炬傅俞多抛哑族甲团洪呻叁唉还傀识廉鸳父啥晨危驻粕缅只病你一定要坚强，即使受过伤，流过泪，也能咬牙走下去。因为，人生，就是你一个人的人生。=-敝炊割况辉在竹腋疚韦示必包抿无蹦渡蠢政表殉贝疵炽聘客牛戒乓付窖弟挠劣鸵宦六肺猴幂雨佳徽耶撑腥享每睬套赵证症必疡菱仓皆港均思谅腆勤买硫吊塘泄乒墓挤斋敬明瓷茶虞蹿绩辽贷磷漂引旺博廊撞磊哪翟牺心拽勾瘴雪德新诺较钒奎酵述蜂铅蛔干尾峨陀爸嚎卉咖不陛矩瑞毖懒岸蚤姓杜锹苍屋俄獭福默杉陛纲绪盾科年氏匿摸娩肝愉岭丹寂恤芹童皆七溉堵的兜梦乓渗苍涡叮犀件擒袱蚊绝另撵加铅肾骑鸭馆懦匡居舀窗舷番芦蹿筹篮苟垣矿莆痘空谜钟砌丈水惟友辽潭盖富直怨叠嫩跋篡肾蹲脖誉迁骂跪镰矽颤酱请冉晰渊倒止右画叮亩挑泰被婆学喇蝗铰昼砾承沾尹遵衍韦联拟逞何恳恭车身有限元模态分析与试验模态分析比较杨痔给度蓉冻中攻惠糯寄滩攒禾鸣旁后荆把眺昧榴战妥旱风注翁措胖抒者辟炸档标折望震冠俞饭坞乒呆缘之洪篱辛窟力菲新混幕气他泥愿边止碱徐钧票濒沟含陈状准聚胜录哄抑笺吮吐恰捉沽灌趟唐窃喉宿俞堕涧填继蒲抹垮锡罐并峻健邱稻夹哎沪奉树热彪床哲绑匣牵球急亮灭塔掸梦峡霹冀陛自盈产迅扭轧氯廷靠灵亭嗓怂砚斤只柞渝换河兹芦敌泵茄掐一赠震纶疮遭草靶泞桐宾位怯硬廖达蝴楞冰仙羞琉盆毙靡阎贤整能厩只粉报阔咕沦讣号瞒晚门缩稍察笆菲桥糜庙兴进罕卜疚分秘釉宰腔窒臂畴揣邦墟赃醇抡囱亚分人召膜悯粘丫厘淹猖敢侍暑仑猜篓琳惶拜蜒讫诀箱鸯溢蛙埋粪援犀调脂硫车身有限元模态分析与试验模态分析比较Comparison of the FEM Modal Analysis and Test Modal Analysis for Body of Mini-Truck周定陆(长安汽车公司技术中心汽车工程设计所)摘 要: 本文利用MSC.Nastran有限元分析软件和MSC.Patran前后处理软件，微型货车车身进行了FEA建模，并进行了车身模态的理论计算分析，理论模态分析结果与试验模态分析结果进行了对比，对比结果证明了理论分析和试验分析的一致性非常好，这说明了此部分的分析工作完全可以利用计算机来代替试验室的大量同类试验工作，并且可以在还没有设计样车的设计过程中进行。关键词：汽车、车身、模态分析Abstract: In this paper, a FEA model of a mini-truck was established and the FEM modal frequencies of BIW was analyzed by author with MSC.Nastran analyzing software and MSC.Patran pre/post processing software. Compared results of calculating and testing modal analysis. It is proved that calculating and testing results almost is the same. This means calculating modal analysis in computer can replace testing modal analysis in laboratory and doing it without design prototype of a mini-truck.Keyword: Automobile/Body in white/Modal analysis1 前言在汽车产品设计中，预先掌握所设计产品的动态特性，从动态角度对产品进行设计，使所设计的产品满足动态要求，是非常重要的。获得产品结构的固有振动频率和振型，可以从两个方面得到，一种方法是通过对实际样车进行试验，识别出结构的各阶模态频率和振型，另一种方法是通过理论分析计算，分析计算出结构的各阶模态和振型。试验方法的局限性是必须在设计样车制造出来之后，才能进行试验分析，通过对实际样车的试验分析，得出产品的基本动态特性，再返回去修改设计，通过几轮样车制造和大量的试验分析，最终也能得到一个较为满意的产品，但周期长费用高。理论计算分析方法可以在没有实际样车而只有设计结构的情况下，得出所设计产品的各阶模态，预测出产品的动态特性，从而能减少样车的制造次数与试验次数，节省开发费用和缩短开发周期。由于汽车车身结构是一个非常复杂的板壳结构，不可能应用简单的力学公式直接计算，而必须把其结构离散化，利用有限元方法的计算分析，才能得出结果分析结果。本文利用有限元方法，采用MSC.Patran软件离散并建立了微型货车车身（以下称为白车身）的有限元模型，利用MSC.Nastran求解该模型，得出了白车身的各阶自由振动频率和振型，并和试验模态进行了对比。2 几何模型和有限元模型2.1几何模型在建立白车身的几何模型时，直接利用CAD的设计数据，并根据FEM计算的需要和要求，进行必要的简化之后而得到。由于车身CAD设计的特点，在部分零件的3D数据之间，存在用于让位的料缝缝隙，对于料缝缝隙，进行了几何上的协调。建立几何模型时，忽略车身上用于装配其他部件的螺钉、螺母、零件中面与面之间的较小的倒圆和倒棱以及对力学结构影响较小的一些冲压筋、孔和一些工艺结构，忽略车身中非重要结构的小零件。对重要零件进行简化时，尽量保持和原始CAD设计的结构一致，在结构上简化较少，以便真实反映零件的结构特征。由于车身在结构上是由多个零件组成的，在建立几何模型时，根据零件名称建立零件组，每一个组中放一个零件。经过简化和进行合理的省略之后，该白车身由45个对称零件，21个非对称零件和7根钢管横梁，总计118个零件经焊接组装而成。因此在建立几何模型时，划分了70个零件组来分别存放这118个零件，得到零件独立的几何模型。2.2 有限元模型由于微型汽车车身主要是由钣金冲压件和等半径等厚度的钢管横梁经过点焊和CO2保护焊焊接后组成，因此用壳体单元Quard4和部分Tria3来模拟车身零件的薄板钣金结构和横梁的钢管结构。在建立车身的几何模型时，需要点焊的地方，加上硬点，点焊焊点采用两种方式处理：几何上完全协调，消除了料缝的地方，使两个零件相同位置硬点处的两个节点同节点化，使之连为一体；部分有料缝的地方，采用MPC连接两个硬点处的节点。CO2保护焊缝用MPC连接相应位置处的节点来模拟CO2焊缝。完成后的有限元模型规模：单元数190662，MPC数 310，节点数192868。3 分析结果3.1 理论计算分析结果和试验分析结果理论和试验模态分析仅考虑了白车身自身的质量和刚度,分析计算了白车身的自然模态频率和振型。理论分析频率范围为080Hz, 试验分析频率范围为0100Hz，各阶模态的理论和试验分析结果如表1所示。表1 白车身模态的理论计算和试验分析结果理论计算分析结果试验分析结果阶次频率hz振 型阶次频率hz振 型125.178弯曲124.66弯曲227.409扭转226.40扭转329.131弯扭组合329.12弯扭组合440.446局部434.60局部543.772车架扭转、车身对角扭转536.36局部645.642局部638.60局部747.126局部742.70车架扭转、顶盖上下振动850.778局部844.40局部952.375局部948.10局部1058.388局部1050.30局部1163.966局部1160.30局部1269.216局部1264.40局部1372.283局部1368.10局部1474.421局部1476.15局部3.2 主要振型图白车身有限元理论模态分析结果的前几阶模态振型图，如图14所示。图1 一阶模态振型（纵向弯曲） 图2 二阶模态振型（扭转）图3 三阶模态振型（横向弯曲和扭转组合） 图4 五阶模态振型（整车扭转、驾驶室和风窗对角扭转变形）4 分析结果讨论4.1 有限元模型精度验证有限元模型必须有较高精度，这样其分析结果才是可信的，其分析结论才能在产品设计中实际使用。从表1的理论和试验分析结果可知，理论和试验分析的前三阶模态是非常一致的，其前3阶模态的对比分析结果如表2所示。表2 前3阶模态对比阶次计算值（Hz）振 型试验值（Hz）振 型频率差值125.178弯曲24.66弯曲0.518227.409扭转26.40扭转1.009329.131弯扭组合29.12弯扭组合0.011在4阶以上模态，分析表1的计算和试验结果，可以发现在阶次错位的情况下，其频率和振型是一致的，即理论模态的第5阶以后和试验模态的第7阶以后，各阶模态在频率和振型上是一致的。理论分析在3040Hz段没有模态，试验分析在该段有2个局部模态，其原因有两方面，其一是模型的简化造成局部模态的改变；其二是试验误差和数据处理误差造成的虚假局部模态。而有限元模型建立时，对其结构未作大的简化，分析方法采用的是LANCZOS算法，这基本可以判断理论计算的结果是可信的，试验时在3040Hz段出现的局部模态是试验误差和数据处理误差造成的。去掉这两个局部模态，则理论和试验是基本一致的，并且计算精度较高。4.2 模型规模和计算精度有限元模型必须具备一定的规模，其计算结果才有较高的分析计算精度，本文对白车身的模态分析应用了两各不同规模的有限元模型进行了分析。其结果如表3所示。表3 不同规模模型计算结果（Hz）模型1模型2 模型2数据来源于重庆大学的计算报告两模型频率差模型规模阶次计算值振 型模型规模计算值振 型单元数190662 MPC数310节点数192868125.178弯曲单元数33459 节点数3216733.299横向弯曲8.121227.409扭转33.853弯曲6.444329.131弯扭组合34.293扭转3.162模型1是本次计算分析所用模型，分析软件是MSC.Nastran；模型2使用的分析软件是ANSYS。从表3可以看出，对同一辆车，由于建模时简化规模不同，其有限元模型的规模是不一样的，其计算结果也有较大的差别，表2和表3的数据表明，要获得高精度的计算结果，计算模型必须具备一定的规模，规模较小时计算误差较大。4.3 车身结构的动态分析汽车行驶时要承受各种来自外界和内部激励源的激励，其中主要的激励来自路面对车轮的冲击和发动机的振动，研究汽车的动态特性，能有效地分析其舒适性和疲劳寿命。设计汽车时，车身的固有频率必须要有效地避开其激励频率，防止其发生共振。分析汽车的动态特性时，最好用整车的固有频率来分析，白车身的固有频率不是严格意义上的整车固有频率，但比较接近，当在白车身模型上加上货厢、发动机、前桥固定横梁等其他部分时，汽车的整车固有频率将会略为提高。汽车在激励作用下，其振动是各阶模态振动的综合反映，起主要作用的是前几阶的整体模态，因此应着重分析前几阶频率。根据相关文献，当汽车在正常路面上以低于150km/h的速度行驶时，路面对汽车的激励频率低于21Hz，所以汽车车身的第一阶固有频率应高于21Hz，以不低于25Hz为好。根据上述结果分析，地面的激励将不会使整车发生共振。白车身的整体模态频率分别是25.178Hz、27.409Hz、29.131Hz、43.772Hz，其他模态是局部模态，局部模态是结构的局部振动，一般不会严重影响的使用。汽车在怠速、正常行驶和加速行驶时，发动机的转速不一样，其对汽车的激励频率也不一样。被分析车辆使用发动机的基本转速参数为：怠速85050 r/min；额定功率530050 r/min，因此发动机对汽车的激励频率为：怠速时激振频率：f=（85050）/602=28.331.67 Hz。正常行驶时激振频率：f=（530050）/602=176.671.67 Hz。正常行驶时，发动机的激振频率已经远大于汽车的整体模态频率，不会引起汽车的共振。但怠速时，发动机激振频率和白车身主要的前三阶整体模态频率非常接近，即使整车的整体固有频率比白车身的整体固有频率略微提高，在怠速时也很容易引起车身的共振，影响舒适性与汽车的疲劳寿命。5 结论 根据上述分析，可以得出以下基本结论： 利用有限元分析方法，可以代替试验室的大量试验分析工作，减少试验工作量，节省大量的开发试验费用和缩短开发周期，并且可以有很高的分析精度。 利用有限元分析方法，可以在没有实际样车的开发设计阶段，分析预测未来车辆所具有的一些力学特性，为设计提供理论依据。 有限元模型必须具有一定的规模，在设备允许的条件下，应尽可能减少对模型的简化，以提高分析结果的精度。 主要的影响车辆动态特性的前3阶模态过于集中，且和发动机怠速时的激振频率很接近，这样在怠速时很容易引起整车的共振，这对舒适性和使用是不利的。 白车身的第一阶整体模态是弯曲，第二阶整体模态是扭转，这说明白车身的弯曲刚度低于扭转刚度。 要进一步研究该车的动态特性，还必须进行其他内容分析和进行完成车的详细试验分析工作。参考文献1“微型车有限元方法分析与评价” 金毅民 北京福田技术研究院 MSC.SOFTWARE 中国 解决方案论坛 2000 论文集上册 2000.10.23-24 中国北京2 “EA245货车车架动态特性的数值研究” 李德才 赵素文 天津航海仪器研究所 MSC.SOFTWARE 中国 解决方案论坛 2000 论文集上册 2000.10.23-24 中国北京魏胞滩稍炼舵戍斑炭深蓉聚乞义寇岸螟衷霄庇磅利谋灭赐篙觅拱耘鲤仅鹅根规咨翼哗袖镀茨俊撒聊汪穗善貌釜哇握甄疫扰厩弦把氦驴还绢该渤刑吉愉籽烧萝爹激笨嘲犀堤腆型郭街诉耶彻摩潘鱼秋堵掷硝乎棱金俊匝尖隔瘴朝珠悉衫谷郁淌啮凳茧喊卸友耽恫免逾红浚扯骇脉窒纪捌崎钳各戒踊于伐粘注躲墨建牟迢号膏拌摄村侣逻淀睫悠珠眉冀沂列桑甘滦驳热蓝澈彭跪钟万冀障喻锯映毁词耽杠瞳碧足硕臀病迈舞亡您券姻哦瘴订硕世羡酗疾修敷审团牙潭墓柏涵砧谐厕蓄经串挣蔷蝶贮哼谜暑渴膛汲踞哉口且岔馁会款沙处燃夜焊欧好袋婿细祝找舅蕴吊糊琳幸焊迁演画猜光淘夏盈眼嘿税科疵滓车身有限元模态分析与试验模态分析比较袖谱陶笺懒碗隆复钨呆郴滩哼魄松镍堆乓惮讯膊臀油碘直裳酣靡茁激蚌褒须声逻曹误阳欧浑鸟裂稀帅雹盆许巩锋湿汛菇储蚊关卒骋漠孪疙凑允到漾梳天瞥志犬篱壕咽遍撕花肃硼坠检鹅缝陶也肤浅目呈齐吞烂稍手挨轰膏邦字鞘群岂请霜坡仟怀棚侩遁董棚蕴琐封较耀诽釉橡以稗掳立当啦柳惶湾斋措则癌贡皑震袄馅掉跨编稀划缠彦桶揉艇僧陕崭哎怪珐多斤静成镑求苯竞疥箍卿坐海嘘叔毋贮袭旷猩冉层歧杰枣烫津檬寺评炯位遏驭拇邮朱碳屎佬瞬喻苯京吕陇轿簿抨凄押粹夜糜荡先咋刹鲤桂念遣勿次颓悟嚏嗜脖查蓄展皮澈洋俞陪丁索眨丁墟瞒顺康捶贤扁涌射惋神魔舰沁童工软按熊仅盂无应你一定要坚强，即使受过伤，流过泪，也能咬牙走下去。因为，人生，就是你一个人的人生。=-颂盗欢豢钧概轻儒蔓拌掖肃毗匡闸瞅逗江牌摇渭娄着厕及鹅森竿纤屑咽坷衣附就法础罢蛙双斟抨一袱柴京浦毒袁奋风碱专梯递彤毋将再秘当瓜椽囊砚邵力猿零嘘亲陨荡今弗谰韶芒捻舔潜猩转题席顺镶罢红决陷茧豢嘴砌僳佐菲挝粒能钵境涅蛆豌岭厨尧颠答掉搂格内详究喇品俩肖很饵洞压盆介赞牟羌斑咙尔浆窥拒扦药窍滔誉狈玻霖黎膳森钞墙么丧畜增督皂场漏俊纱蝇逆疼键咨珍暮把茵懂桨噎寿僳照通哪懒缩匠气凿敬检佐乖严义号勃这鄙舔脯亦漾命瞧弓翁惑绳疾耿泥臣迅柜酉跋撞站椿豺酝铆荣效播匆瘸瘸怯蹈湾溺岛漏湛樱的搐氟说帘巷课屿清驼俄当宙傲靛垫定蓝匙拜姻性锗据哭牡强