基于灵敏度分析的汽车车门模态和刚度优化.pdf

收稿日期:研究项目:年高校学科(专业)拔尖人才学术资助重点项目(项目号:g x b j Z D )、年安徽省自然科学重点项目“基于多物理场耦合的轮毂驱动电动汽车振动与噪声控制研究”(项目号:K J A ).作者简介:周自宝(),男,安徽巢湖人,副教授,芜湖市首席技师,硕士,研究方向:汽车C A E分析;汪新伟(),男,安徽黄山人,副教授,硕士,研究方向:汽车设计.第 卷第期芜湖职业技术学院学报 年月V o l N o J o u r n a l o fW u h uI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g yJ u n,应用技术研究基于灵敏度分析的汽车车门模态和刚度优化周自宝,汪新伟(芜湖职业技术学院 汽车与航空学院,安徽 芜湖 )摘要:车门是汽车重要的组成部件,其主要作用是为驾乘人员提供出入车辆的通道,保护驾乘员安全,降低车内噪音.车门既要满足刚度性能要求,又要满足振动性能要求,因此,在车门设计过程中,采用灵敏度分析方法可以有效平衡车门各性能的设计要求,从而提高车门的设计效率.本实验研究中,首先建立车门分析模型,对其进行振动分析,并对分析结果进行试验验证;接着以一阶弯曲频率、扭转刚度位移、下垂刚度位移及总质量为响应,对车门钣件厚度进行灵敏度分析;最后,以车门钣件灵敏度分析筛选出的敏感钣件作为设计变量,以车门各性能指标作为约束条件,对车门进行优化设计.关键词:车门;灵敏度;模态;扭转刚度;下垂刚度中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:()引言车门是汽车重要的组成部件,其主要作用是为驾乘人员提供出入车辆的通道,保护驾乘员安全,降低车内噪音等.车门既要满足刚度性能要求,又要满足振动性能的要求.车门刚度主要包括扭转刚度和垂向刚度,刚度不足会导致车门卡死、漏水透风等问题,进而影响车门使用质量.车门模态分析是其振动分析的基础,当车门模态频率与汽车激励源模态频率接近时,会使车门振动增大,引起车门振动异响问题.因此,车门的刚度和模态性能设计十分重要.为了提高设计效率,灵敏度方法在车门优化中得到广泛应用.朱茂桃等利用灵敏度方法筛选出高敏钣件,通过构建K r i g i n g近似模型,在满足扭转刚度和模态的前提下,实现了车门轻量化设计.王镇江等采用正交试验设计和灵敏度分析对车门进行了多性能优化设计,获得了车门零部件厚度的最优组合.秦训鹏等应用灵敏度方法和响应面法,筛选出高敏钣件和构建了响应 面 函 数,实 现 了 车 门 和 白 车 身 模 态 的匹配.本文针对某汽车车门,借助前处理软件H y p e r M e s h建立有限元模型,利用O p t i S t r u c t求解器计算并分析其模态特性,通过模态试验测试对模型进行验证,基于路面激励和发动机怠速激励频率,提出车门一阶弯曲频率的设定目标.通过对车门各性能进行灵敏度分析,我们筛选敏感钣件作为设计变量,构建车门优化模型,对车门刚度和模态性能进行优化设计.车门有限元分析与模态验证 车门有限元分析汽车车门是由薄壁金属钣件及安装在其上面的附件组成的复杂结构,主要由外板、内板、各类加强版和支撑板、车窗玻璃、电机横梁、滑轨及内饰件等组成.车门有限元模型前处理和求解计算分别在有限元分析软件H y p e r M e s h和O p t i S t r u c t中进行.对于薄壁钣件和车窗玻璃,笔者采用壳单元建模,铰链和锁扣分别采用四面体和六面体单元建模,内饰件采用质量点单元模拟.车门网格划分采用汽车行业通用网格尺寸mm划分网格,最终车门有限元模型的单元总 数 为 ,其 中,四 边 形 单 元 数 量 为 ,三角形单元数量为 ,占比,小于.车门薄壁钣件材料为普通钢材,其弹性模量Es MP a,密度s k g/m,泊松比s为;车窗玻璃采用普通玻璃参数,其弹性模量Eg MP a,密度g k g/m,泊松比g为;粘胶材料弹性模量Eg MP a,密度g k g/m,泊松比g .车门连接方式有点焊、段焊、粘接,其中,点焊用A c m单元模拟,段焊用R b e 单元模拟,粘接用A d h e s i v e s单元模拟.约束条件为释放上、下铰链绕Z轴的转动自由度和释放门锁锁扣Y向的平动.采用兰索士法对车门约束模态进行求解,计算车门前阶模态频率及振型,计算结果如图所示,统计结果见表.图车门阶计算模态参数表有限元计算和试验测试结果阶数有限元计算频率/H z试验测试频率/H z误差/()振型 一阶弯曲 内板局部振动 一阶扭转 外板局部振动 外板局部振动 外板局部振动 车门模态验证为验证车门有限元模型的有效性,笔者进行了车门约束模态试验.试验系统包括激振器、加速度传感器、数据采集仪和计算机等.通过多点激励单点测量方法共获得 个车门测点的数据,测试结果如表所示.由表可以看出,有限元计算和试验测试模态频率和模态振型基本吻合,误差在合理范围内,这说明有限元模型具有较高可信度,可以用该有限元模型进行车门的后继优化设计.通过车门模态性能计算或试验,识别出模态参数,进而对车门振动特性进行评估.车门模态频率要避开汽车的激励频率,以免发生共振.其中,路面激励频率通常低于 H z,发动机激励频率为fni()式中:n转速,i气缸数,冲程系数(二冲程值为,四冲程值为).对于四缸四冲程的发动机,其怠速转速区间通常在 r/m i n,怠速频率区间在 H z.根据车门约束模态分析结果可知,该车门一阶弯曲频率为 H z,高于路面激励频率,但落在发动机怠速频率区间,存在共振风险,需改进.为避免车门与路面和发动机怠速激励频率产生共振,应使车门一阶弯曲频率高于路面和发动机怠速激励频率H z以上.综上,车门一阶弯曲频率要设定在 H z以上.车门刚度计算车门刚度包括扭转刚度和下垂刚度.利用上述模型,对车门扭转刚度和下垂刚度进行计算及分析.其中,在车门扭转刚度计算中,约束条件为固定上、下铰链全部个自由度,同时固定车门下缓冲块Y向平动自由度;加载条件为在车门靠近B柱上侧拐角处施加法向载荷,载荷大小F N.在车门下垂刚度计算中,约束条件为固定上、下铰链全部个自由度;加载条件为对车门沿Z轴负方向施加重力载荷,载荷大小FG.将有限元模型分别提交求解器计算,获得车门扭转刚度位移云图和下垂刚度位移云图,分别如图和图所示.根据图,车门扭转刚度位移最大值出现在加载区域,最大值为 mm,低于设计指标mm;根据图,车门下垂刚度位移最大值发生在车门靠近B柱上侧拐角区域,最大值为 mm,也低于设计指标 mm.可见,车门刚度满足设计要求.周自宝,汪新伟/基于灵敏度分析的汽车车门模态和刚度优化图车门扭转刚度位移云图图车门下垂刚度位移云图车门灵敏度分析通过前述分析,车门刚度满足要求,而一阶弯曲频率不满足要求,因此需要对车门进行优化.对于由多个薄壁钣件构成的复杂结构,可以通过优化厚度来改进车门模态频率.在优化前,通过灵敏度分析可以发现结构响应对钣件厚度的敏感度,以此筛选出敏感度高的钣件作为车门优化设计的设计变量,从而提高优化效率.根据车门结构组成,对钣件进行编号,钣件编号情况如图所示.以车门 个钣件厚度作为设计变量,计算车门一阶弯曲频率、扭转刚度位移、下垂刚度位移和质量对设计变量的灵敏度,计算结果如表所示.由表可以看出,对一阶弯 曲 频 率 敏 感 度 较 大 的 钣 件 为P、P 、P 、P、P 、P、P 、P 、P、P 等;对扭转刚度位移敏感度较大的钣件为P、P 、P、P 、P 、P、P、P、P、P 、P、P 等;对下垂刚度位移敏感度较大的钣件为P、P 、P 、P 、P 等;对质量敏感度较大的钣件为P、P、P、P 、P、P 、P、P 、P 等.考虑到车门一阶弯曲频率较低,且扭转刚度位移和下垂刚度位移计算值与设计值非常接近,所以设计变量的选取以对一阶弯曲频率敏感度较大的钣件为主,对扭转刚度位移和下垂刚度位移敏感度较小的钣件为主,综合考虑后确定P、P、P、P、P、P 、P 、P 等个钣件为车门优化设计变量.图车门零件编号表车门钣件灵敏度分析结果钣件编号一阶弯曲频率灵敏度扭转刚度位移灵敏度下垂刚度位移灵敏度质量灵敏度P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 车门优化设计 优化模型根据选定的设计变量,建立车门优化数学模型M i nms t dtmmdv mmf H zPi m i nPiPi m a xi,()()式中,m车门钣件的总质量;dt车门扭转刚 芜湖职业技术学院学报 年第 卷度加载区域最大位移;dV车门下垂刚度靠近B柱上侧拐角区域最大位移;f车门一阶弯曲频率;Pi设计变量的初始厚度;Pi m i n设计变量的下极限值;Pi m a x设计变量的上极限值.优化结果及分析车门一阶弯曲频率、扭转刚度位移、垂向刚度位移和总质量优化迭代过程如图所示.图各响应迭代过程将车门一阶弯曲频率、扭转刚度位移、下垂刚度位移和总质量优化前后进行对比,如表所示.由表可以看出,优化后车门的一阶弯曲频率提升 ,达到了要求值,同时车门扭转刚度位 移 和 下 垂 刚 度 位 移 分 别 减 小 和 ,即车门刚度得到了有效提升,而车门总质量只增加了 ,车门质量增加在成本可控的范围内.表车门性能优化前后对比性能优化前优化后变化率一阶弯曲频率f/H z 扭转刚度位移dt/mm 下垂刚度位移dv/mm 总质量/k g 结论第一,运用有限元方法计算出模态参数,并将其与模态试验测试结果进行比较,得到模态参数基本接近,是一种判断有限元模型有效性的方法.第二,车门模态频率的设定要综合考虑路面激励和发动机怠速激励频率,以避开有共振风险的区域.第三,灵敏度分析可以平衡车门各性能的设计要求,为车门设计提供参考.通过灵敏度分析,得到了车门一阶弯曲频率、扭转刚度、下垂刚度及总质量对车门钣件厚度的敏感度,确定了车门中的个钣件作为车门优化的设计变量.第四,车门优化后,一阶弯 曲 频 率 由 原 来 H z增加到 H z,提升 ;扭转刚度位移 由 原 来 mm减 小 到 ,减 小;下 垂 刚 度 位 移 由 原 来 mm减 小 到 ,减小 .优化后一阶弯曲频率、扭转刚度位移和下垂刚度位移均满足要求,而车门总质量只增加了 .参考文献郝琪,李海伦,崔宏伟,等考虑侧面柱碰的电动汽车车门多 学 科 优 化 设 计 J汽 车 安 全 与 节 能 学 报,():刘锋,张瑞乾,陈勇基于模态和刚度的车门轻量化研究J机械强度,():叶盛,辛勇基于灵敏度及尺寸优化的汽车车门轻量化J机械设计与研究,():,朱茂桃,钱洋,顾娅欣,等基于K r i g i n g模型的车门刚度和模态优化J汽车工程,():,王镇江,何造,孙润基于正交试验设计的车门系统参数优化J机械强度,():秦训鹏,冯佳伟,王永亮,等基于响应面方法的微型车车门模态分析与优化J中国机械工程,():WANGYL,Q I NXP,L IL,e t a l T h eN o i s eC o n t r o lo fM i n i c a rB o d yi n Wh i t eB a s e do n A c o u s t i cP a n e lP a r t i c i p a t i o n M e t h o dJ J o u r n a lo fV i b r o e n g i n e e r i n g,():王跃星,向宇,孙润,等某皮卡车车身前机舱及地板模态分 析 与 结 构 优 化 J农 业 装 备 与 车 辆 工 程,():责任编辑:刘栋周自宝,汪新伟/基于灵敏度分析的汽车车门模态和刚度优化M o d a l a n dS t i f f n e s sO p t i m i z a t i o no fA u t o m o b i l eD o o rB a s e do nS e n s i t i v i t yA n a l y s i sZ HOUZ i b a o&WANGX i n w e iA b s t r a c t:T h ed o o r i s a n i m p o r t a n t c o m p o n e n t o f a u t o m o b i l e,a n d i t sm a i n f u n c t i o n i s t op r o v i d e ap a s s a g e f o r d r i v e r s a n dp a s s e n g e r s t oe n t e ra n de x i tt h ea u t o m o b i l e,p r o t e c tt h es a f e t yo fd r i v e r sa n dp a s s e n g e r s,a n dr e d u c ei n t e r i o rn o i s e T h ed o o rs h o u l dn o to n l ym e e t t h er e q u i r e m e n t s f o r s t i f f n e s sp e r f o r m a n c e,b u ta l s om e e t t h o s ef o rv i b r a t i o np e r f o r m a n c e I nt h ed o o rd e s i g np r o c e s s,u s i n gs e n s i t i v i t ya n a l y s i sm e t h o d sc a ne f f e c t i v e l yb a l a n c et h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sf o re a c hp e r f o r m a n c e,t h e r e b y i m p r o v i n gt h ed e s i g ne f f i c i e n c y I nt h i ss t u d y,f i r s t l ya na u t o m o b i l ed o o ra n a l y s i sm o d e l i se s t a b l i s h e dt oc o n d u c tv i b r a t i o na n a l y s i so ni t;s e c o n d l y,a n a l y t i c a l r e s u l t sa r eu n d e rv e r i f i c a t i o nt h r o u g he x p e r i m e n t s;t h i r d l y,s e n s i t i v i t ya n a l y s i si sc o n d u c t e do nt h e t h i c k n e s so f t h ed o o r s h e e tm e t a l i nr e s p o n s e t of i r s t o r d e rb e n d i n gf r e q u e n c y,t o r s i o n a l s t i f f n e s sd i s p l a c e m e n t,s a g g i n gs t i f f n e s sd i s p l a c e m e n t a n dt o t a lm a s s;f i n a l l y,t h ed e s i g no f t h ed o o r i so p t i m i z e do n t h e c o n d i t i o nt h a t t h e s e n s i t i v ep a n e l ss e l e c t e dt h r o u g hs e n s i t i v i t ya n a l y s i so nt h ed o o rp a n e l sa r eu s e da sd e s i g nv a r i a b l e s,a n da l l p e r f o r m a n c e i n d i c a t o r so f t h ed o o ra r eu s e da sc o n s t r a i n t s K e yw o r d s:a u t o m o b i l ed o o r;s e n s i t i v i t y;m o d a l;t o r s i o n a l s t i f f n e s s;s a g g i n gs t i f f n e s s(上接第 页)参考文献:张烁习近平在全国高校思想政治工作会议上强调把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面N人民日报,()中华人民共和国教育部教育部关于印发 高等学校课程思政建设指导纲要 的通知E B/O L()h t t p:/w w w m o e g o v c n/s r c s i t e/A /s /t _ h t m l 习近平高举中国特色社会主义伟大旗帜 为全面建设社会主义现代化国家而团结奋斗:在中国共产党第二十次全国代表大会上的报告N人民日报,()习近 平正 确引 导 民营 经 济 健 康 发 展 高 质 量 发 展N光明日报,()林芳,段晓红“三全育人”视域下 财务管理 课程思政建设研究J商业会计,():徐萌经济管理类专业课程中思政教学实践探索J生活教育,():责任编辑:刘栋T h eA p p r o a c ht o t h eC o n s t r u c t i o no fC u r r i c u l u mI d e o l o g i c a l a n dP o l i t i c a lE d u c a t i o nf o r t h eC o u r s e“M o d e r nB u s i n e s sM a n a g e m e n t”i nH i g h e rV o c a t i o n a l I n s t i t u t e sWUP e n gA b s t r a c t:D u r i n gt h e i d e o l o g i c a la n dp o l i t i c a l t e a c h i n g,t ou n i t ev a l u e ss h a p i n g,k n o w l e d g et e a c h i n ga n da b i l i t yt r a i n i n gi n t oo n ee n t i t y i s a f u n d a m e n t a l t a s ka n d i n e v i t a b l e r e q u i r e m e n t f o r s t r e n g t h e n i n gm o r a l e d u c a t i o na n dc u l t i v a t i n gp e o p l e I t i s f e a s i b l e t op r o m o t e t h ee f f e c t so f c u r r i c u l u mi d e o l o g i c a l a n dp o l i t i c a l e d u c a t i o nf o r t h ec o u r s e“M o d e r nB u s i n e s sM a n a g e m e n t”i ns u c ha s p e c t s a s i m p r o v i n g t e a c h e r si d e o l o g i c a l a n dp o l i t i c a l a t t a i n m e n t s,f a c i l i t a t i n g t h e r e f o r mo f c l a s s t e a c h i n gm e t h o d sa n dt a p p i n g i n t ot e a c h i n ge l e m e n t so f c u r r i c u l u mi d e o l o g i c a l a n dp o l i t i c a l e d u c a t i o n K e yw o r d s:b u s i n e s sm a n a g e m e n t;c u r r i c u l u mi d e o l o g i c a l a n dp o l i t i c a l e d u c a t i o n;t h e o r e t i c a l c u l t i v a t i o n;s o c i a l p r a c t i c e 芜湖职业技术学院学报 年第 卷