基于HyperMesh的车身模态分析.pdf

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1、基于H y p e r Me s h的 车身模态分析 口王得刚 口李朝峰 口李鹤 口闻邦椿 东北大学 机械工程与自动化学院沈阳I 1 0 0 o 4 摘要：应用有限元前后处理软件 H y p e r Me s h，采用二维壳单元这一全新的建模方法，对车身结构进行有限元建模，用MS C N a s t r a n软件对模型求解，然后用H y p e r Me s h软件对计算结果进行后处理分析。通过对车身的结构进行有限元模态 分析，得到了在低频范围内与试验模态分析结果基本一致的模态频率和振型，有利于控制车身的固有特性，从而可以对车 身设计方案进行全 面的评价和 改进。关键词：车身有限元模态分 析

2、 中图分类号：T P 3 9 1 9 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 04 9 9 8(2 0 0 8)0 60 0 0 4 0 3 Ab s t r a c t：Wi t h t h e h e l p o f t l e p r e a n d p o s t p r o c e s s i n g s o f t wa r e f o r fi n i t e e l e me n t-Hy b e r me s h a n d a n e w mo d e l i n g me t h o d-2 D s h e l l e l e me n t，t h e fi n i t e

3、 ele me n t mod e l i n g f o r a u t o b o d y s t r u c t u r e i s c a r r i e d o u t T h e s o l u t i o n t o the mo d e l i s p e r f o r me d w i t h MS C Na s t r a n an d the p o s t p r o c e s s i n g a n a l y s i s o f t h e c a l c u l a t e d r e s u l t i s c a r r i e d o u t wi th

4、 Hy b e r Me s h B a s e d o n t h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f l l e a u t o b od y s t ruc t u r e t h e mod e l f r e q u e n c y a n d v i b r a ti o n mod e o b t a i n e d a l e a l mo s t c o n s i s t e n t w i t h t h e r e s u l t o f t e s t mo d al a n a l y s i s i n t

5、l e r a n g e o f l o w e q u e n c y I t i s h e l p f ul t O c o n t r o l t h e i n h e r e n t c h a r a c t e r s o f t h e a u t o b o d y S O t h a t the c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n a n d i mp r o v e me n t o f t h e a u t o b o d y d e s i g n p l a n C an b e c a r r i e d

6、 o u t K e y W o r d s：Au t o-b o d y F i n i t e E l e me n t M o d a l An aly s i s 有 限元 等数值 模 拟技 术 可 以在汽 车设 计初 期 预测 车 身结构 的模态 参 数，尽 可 能避 免相 关设 计缺 陷，及 时 修 改及优 化设 计 方案，从 而 大大 缩短 产 品开发 周期。对 车 身 的模 态 分 析可 以得 到 车 身 的 固有 频率 和振 型，发 现 结构 上 的 薄弱 环 节 并 加 以改进，模态 分 析 的 结果 也 是对 车身 进行 进一 步动 力 学分 析 的基础。通 过 查 阅

7、大 量 参 考 文 献 发 现，以 往 的 汽 车 车 身 有 限 元建 模，车 辆 乘 坐 室 大 多 采 用三 维 壳 单 元(S HE L L)表 示，驾 驶 室 的 梁 和 柱 等 采 用 三 维 梁 单 元(B E AM)表 示，单元 尺 寸 大 多 iz 3 o5 0 n。本 文使 用 先 进 的有 限 元前 后 处理 软 件 Hy p e r Me s h，采 用 二 维 壳 单 元 这 一 全 新 的建 模 方 法进 行 车 身 有 限元 建 模，获得 了较 为理 想 的分 析结 果。1 有限元前后处理软件 H y p e r M e s h 有 限 元 分析 技术 已经发 展

8、 成 为 C AE的核心，而 贯 穿 于产 品概念 设 计、详 细设 计 和制 造过 程 的 C AE仿 真 技 术 对 提 高产 品性 能 和 质量 起 着 举 足 轻重 的 作用。作 为 有 限元 仿 真 分 析基 础 的有 限元 分 析前 处 理 技术，有 限元 网格划 分技 术 和有 限元 建模 技 术越 来越 受 到分 析 人 员 的重 视。据 统 计，有 限元 前 处 理 要 占 C A E分 析 流 程 8 0 的 时 间，且 计 算 分 析 结果 的准 确 性依 赖 于 网格 的 质 量，因此 高 性 能 的前 后 处 理 软 件 可 以 大 大 缩 短 女国家 自然科学基金资

9、助项 目(编号：5 0 5 3 5 0 1 0)收稿 日期：2 0 0 8 年1 月 四 2 0 0 8 6 C AE分析 流程 的时间及 成本。Hy p e r Me s h是 一 个 功 能 强 大 的前 后 处 理 平 台，是 目前应 用 最 广泛 的前 后处 理 软 件，可 与 大多 数 的 有 限 元 分 析 软 件 搭 配 使 用，如 Na s t r a n、ABAQ US、ANS YS、L SDYN A 等。Hy p e r Me s h主 要 用 于 汽 车行 业，它 已 经 成 为全 球 汽 车行 业 的标 准 配 置，几 乎 所 有 的整 车 厂商 和 大 多 数 配 件

10、 厂 商 都 在 采 用 它。同 时，Hy p e r Me s h也 广 泛进 入各 行各 业，如航 空航 天、通用 机 械 与 日用 品等行 业。它 的优 点体 现 在：具 有 各 种 不 同 的 CAD软 件 的接 口，例 如，uG、P r o E、C AT I A、I GE S、S T EP等，读 入 C AD 几何 模 型 的速 度 与 效 率较 高；配有 与 各种 有 限 元计 算 软件(求 解 器)的接 口，为各 种 有 限元 求 解 器 写 出 数据 文件 及读 取不 同求解 器 的结 果 文 件；可实 现 不 同有 限 元 计 算 软 件之 间 的模 型转 换 功 能，这 在

11、 很 大程 度 上 提 高 了工 作效 率。2 模态分析的理论基础 在 进行 模态 分 析时，通 常假 定 物体 处 于 自由状 态，即 总载 荷 向量 F()=0，当不 考 虑 系 统 的阻 尼 时，则 无 阻尼 多 自由度 系统 的 自由振 动微 分 方程 为：M U+KU=0 (1)式 中 结 构 的总质 量矩 阵 卜结构 的总刚度 矩 阵【一 整 体坐 标下 结构 的位移 向量，一 整 体坐标 下结构 的加速 度 向量 机械制造4 6 卷第5 2 6 期 维普资讯 http:/ 上述方 程 的解作 如下 简谐 运动：U=西s i no)t (2)式 中 西 结 构 的模态 向量 结 构

12、 的 固有 频 率 系 统 的 特 征 值 方 程：(K 一 。)0 (3)上 式 中 西 要 有 非 零 解，必 须 满 足：K 一 M=O (4)结 构 的 刚 度 矩 阵 K 和 质 量 矩 阵 M 都 是 阶 方 阵，其 中 n是 节 点 自 由度 数 目，在 有振 动 时，结 构 中各 节 点 的振 幅 西不 全 为 零，所 以式(4)中矩 阵行 列 式 之 值 必 须等 于零，由此得 到结 构 的 固有频率 方 程，即：J K 一 M I=0 (5)或 I K A M I=0 (6)式 中：A=。求解 方程 可得 到 一组 特征 值 A 。式(3)可 以改 写 为：(K A 西 )

13、：0 i=1，2，(7)式 中：是 刚 度 矩 阵 K 的维 数，也 是 该 结 构 系统 的 自 由度数；A 是第i 个 特 征 值；是其 对 应 的第 i 个 模 态 向 量。在通 常 的有 限元 分 析 中，矩 阵 K 和 M 为实 对 称 矩 阵，它们 满 足正 交性，即：M：O 当 i j 4,T M4,j：聊=第 个 的广 义质 量 T K4 i=O当 i 翰=岛=第 个 的广 义 刚度=砷 式 中研一广 义 质 量 而 厂 一 广 义 刚 度 结 构 的 刚度 矩 阵 K 和 质 量 矩 阵 都 是n阶方 阵，所 以式(5)是 关于 的 n次代 数 方程，由此 可求 出 结 构

14、的 n阶 固有 频 率：1 0)2 (-0 3 c【，(8)对于所 研 究结 构 的 每个 固有 频率，由式(3)可确 定 出一 组 各 节 点 的振 幅值 ，如，】，它 们 互 相 之间保 持 固定 的 比值，但 绝对 值 可任 意变化，它们 构 成 一 个 向 量，称 为 特 征 向 量，在 工 程 上 通 常 称 为 结 构 的 固 有 振 型。3 车身有限元模型的建立及求解 3 1有 限元建模 3 1 1 车身 结构 分 析 以某 汽 车为 例，在 汽车 车身 几何 模 型 的基 础 上，建 立 车 身有 限元 模 型。一 般 的 承载 式 车 身 结构，如车 门、发动 机罩、座椅及

15、车 身 附件 等装 配在 车 身焊 接总 成上，它 们 对 车 身 整 体 抗 弯 及 抗 扭 刚 度 的 贡献 可 以 忽 略 不 机械制造4 6 卷 第5 2 6 期 计；车 身结 构 件 中 的小 孔、圆角、翻边 及 凸台 等局 部 结 构对 车 身整 体 刚度 的影 响很 小，同样 可 以忽 略。因 此，进 行 分 析 时 主要 考 虑两 个 方 面 零 部件，一 是 空 间基 本 完 整 闭合 的梁类 结构 件，包括 前 后 纵梁、门槛、门柱、窗 柱、前 后风 窗上 横梁、门上横 梁、前横 梁及 锁 板；二是 薄 板 类 内外 覆 盖 件，包 括 顶 盖、地 板、轮 罩、后 挡 板、

16、悬 挂 固定 座等。3 1 2单 元 类 型 的 选 择 采用 板壳 单元 建立 有 限元 模型，具 有 较高 的精 度。与 薄 板 相 比，薄 壳 增 加 了 平 面 内 的 内力，即 考 虑 了小 挠 度 情况 下 薄板 忽略 的薄膜 内力，更 加 接 近 结 构 的真 实 情 况。故应 用壳 单元 建模 比板 单 元具 有更 高 的精度。针对 飞 机、汽 车 等 长 度 远 远 大 于 厚 度 的结 构 件，Hy p e r Me s h提供 了 抽 取 中 面(mi d s u r a c e)的 功 能。对 车 身 结 构 件 抽 取 中 面，然 后 在 中 面 上 用 二 维 壳

17、单 元(P S HE I L)进行 网格 的 划分。P S HEL L定 义 壳 单元 的薄 膜、弯 曲、横 向剪切 以及耦 合 性 质。根 据 实 际结构 确 定 各 个零 件 的单 元 厚度。与 三维 壳 单 元 和 三 维梁 单 元 相 比较，选 用 二维 壳单 元进 行 车身 的有 限元建 模，不但 能 更加 准 确地 逼 近 几 何模 型，而 且在 很 大 程 度 上 降低 了计 算量 和计算 的复杂 性。3 1 3 建 模 注意事 项 模 型 的几 何 清 理 必然 涉 及 到 结 构 的 细 节 处 理 问 题，必须对 所有 的细节 进行 了解，并 能 足够 理解 结构 的 预期

18、 行 为，还 必须权 衡 模 型简化 带 来 的利 弊，以确定 是 否 可 以进 行 期 望 的 简 化。因此，对 于 任 何 一 个 实 体 模 型，首先 要进 行分 析，分析完 成 后再 开始 实 体 模型 的建 立，这 样 可 以 避 免 多 次 的 反 复，提 高 建 模 的效 率。网格 划 分 是 建 模 中 非 常 重 要 的 一 个 环 节，网 格 划 分 的好 坏 将 直接 影 响 计算 结果 的准 确 性 和计 算 精 度，甚 至会 因为 网格 划 分 不合 理 而 导致 计 算 不 收敛。查 阅 相关 资料，以往进行 类 似 的车 身建 模 时，单 元 尺寸 一般 取3 0

19、5 0 I n m。考 虑 到计 算 机 的高 处 理 速 度，以及 汽 车 用 钢 板厚 度 一般 在 1 0 mi l l 左 右，因此，本 次 计算 把单 元 尺 寸设 置 为 1 0 mm，这样 就 能使 有 限 元 模 型 能 够 更 加 精 确地 逼近 真实 的实 物模 型，使计 算 结果 更加 精确。本 次 分 析 根 据 需 要 将 车 身 结 构 分 为 1 0 个 焊 接 总 成：发 动 机舱、前 地板、后 地 板、后 围板、前 围板 与 下 横 梁、前 围上 部 总成、左 侧 围总 成、右 侧 围 总 成、顶 盖、后 窗 台板。采 用上述 第 一种 方式，首 先针 对 单

20、个 零件 进行 有 限元建 模，然后 合 并为 各个 焊 接总 成，最后 得 到车 身 的有 限元 模 型，如 图1 所示。3 2 用计 算分析 软件 MS C Na s t r a n求解 把 在 Hy p e r Me s h中建 立好 的有 限元 分析 模型 导 入 MS C Na s t r a n中 进 行 求 解 计 算。选 择 分 块 兰 索 斯 法(Bl o c k L a n c z o s)作 为特 征值 解 法。2 O O 8 6 维普资讯 http:/ 分 块 兰 索 斯 法 是 一 种 将 跟 踪 法 和 变 换 法 组 合 起 来 的 新 的 特 征 值 解 法，是

21、 用一 组 向 量 来 实 现 L a n c Z O S递 归 计 算。计 算 时，求 解从 频 率 谱 中 间位 置 到高 频端 范 围 内的 固有 频率 时 的收敛 速度 与求 解 低 阶 频率 时基 本 上 一 样快。当计 算 某 系 统 特征 值 谱 所 包 含 一定 范 围 的 固有 频率 时，采用 分 块 兰索 斯 法提 取 模 态 特别 有 效。这 种 方 法 对 于 计算 非 常 大 的稀 疏 矩 阵 的 特 征 值 问 题 是 最 有 效 的，是 首 选 推 荐 的 求 解 方 法。运 行 计 算 分 析 软 件 MS C Na s t r a n，输 入 由 Hy p e

22、 r-Me s h导 出 的 数 据 文 件 女 d a t，得 到 车 身 在 自 由 模 态 下 的 固 有 频 率 和 振 型。4 计算结果分析 用 Hy p e r Me s h对 计 算 结 果 进 行 后 处 理 分 析，得 到 车 身 自由模 态 下 的 固有 频 率 和 振 型。采 用 实验 模 态 分 析 技术，通过 B&K仪器 获 得 车身结 构 固有频 率 的试 验 值。由于车 身整 体 结 构 的低 阶 模态 频 率 是 车 身性 能 的 关 键 指标，反 映汽 车 车 身 的整 体 刚度 性 能，在 此取 前 3 阶车身 结构 模态 参数 进 行分 析，其数 值见 表

23、 1。表 1 车身结构模态参数 固有频率 Hz 模态 阶数 误差 计算值 试验值 l 2 5 1 9 2 3 7 5 9 2 2 2 7 9 4 2 7 O 3 3 6 3 3 4 7 2 3 6 5 5 1 3 从 表 1 可 以 看 出 有 限 元 分 析 结 果 和 试 验 结 果 基 本 一致，其 分 析 结 果 具 有 较 高 的 可 信 度。图2图4 分别 为 车 身前 3 阶模 态振 型 图。1 阶模 态是 频 率 为 2 5 1 9 Hz的顶 盖 横 向摆 动及 车 身整 体横 向扭 转。顶 盖左 右 摆动，顶 盖后 部振 动 幅度较 大，是 振 型 的腹部。2 阶模 态 是

24、频 率为 2 7 9 4 Hz的车身 整体 横 向扭 转。顶 盖 左 右 摆 动，顶 盖 的前 部 和发 动 机 舱前 部 振 动 幅度 较 大，是 振 型 的 腹 部。3 阶模 态 是 频 率 为3 4 7 2 Hz的后 地 板 向上 振 动 的 局 部 模 态 和发 动 机 舱 前 部横 向扭 转。后 地 板 后 部 向上 凸 起，振 动 幅 度 较 大，是 振 型 的 腹 部。发 动 机 舱 前 部 振 动 幅 度 次 之，其 余 部 位 振 动 较 小。5结论 l囤 2 o o 8 6 从 结 果 分 析 可 见，该 车 身 的 1 阶扭 转 模 态 频 率 为 2 5 1 9 Hz，

25、同其 他 型 号 的轿 车 相 比，这 个 频 率 是 比较 低 的，说 明该 车身 的整 体 刚度较 低；1 阶模 态 频 率2 5 1 9 Hz 和 2阶 模 态 频 率 2 7 9 4 Hz与 发 动 机 怠 速 激 振 频 率 2 6 7 Hz比较 接 近，易 引 起 车 身 的共 振，是 导 致 该 汽 车 怠速振 动 噪声 比较 大 的原 因之一；从 前 3 阶模 态 振 型可 以看 出，车 身 的顶 盖、发 动 机 舱 的前 部、后 地 板后 部 的 变形 比较 大，说 明这 些部 位 的局 部 刚度 较小，是该 车身 结 构 的 薄 弱 环 节，需 要 加 以改 进。参 考 文

26、 献 1 马天飞，林逸，张建伟 轿车车室声固耦合系统的模态分析 J 机械工 程学报，2 0 0 5，4 1(7)：2 2 5 2 3 0 2 王海 霞，汤文成，钟秉林，等 客车车骨架有 限元建模技术及 分析结果 J 机械强度，2 0 0 2，2 4(1)：7 78 0 3 谢军，陈南，翟羽健，等I V E C 0 4 0 1 0 轻型客车车架建模与 动态特性分析研究 应用力学学报，1 9 9 9，1 6(1)：1 3 61 39 4 K Do v s t a m R e a l Mo d e s o f Vi b r a t i o n a n d Hy b ri d Mo d a l A n

27、 aly s i s J】C o m p u t a t i o n a l Me c h a n i c s，1 9 9 8，2 1：4 9 3 5 1 1 5 J 0 C a r n e i r o，FJ Q d e Me l o，J F D R o d r i g u e s T h e Mo d a l A n a l y s i s o f a P i p e E l b o w w i t h R e ali s t i c B o u n d a r y C o n d i t i o n s J I n t e m a t i o n a l J o u r n a l o f P r e s s u r e V e s s e l s a n d P i p i n g，2 0 0 5，8 2(8)6 傅志方，华宏星 模态分析理论与应用 M 上海：上海交通 大学 出版社，2 0 0 0 7 赵金斗 汽车车 内噪声预测与控制研究 D 重庆大学，2 0 0 5 (编 辑 日 月)机械制造4 6 卷第 5 2 6 期 维普资讯 http:/