白车身接附点局部动刚度分析
肖攀 周定陆 周舟
长安汽车股份有限公司汽车工程研究院
白车身接附点局部动刚度分析
BIW INPUT POINT INERTANCE ANALYSIS
肖攀 周定陆 周舟
(长安汽车股份有限公司汽车工程研究院，重庆401120)
摘 要: 白车身接附点的局部动刚度对整车的NVH性能有较大的影响，是在整车NVH分析中需要首先考虑的因素。

MSC Nastran对于整车的中低频NVH分析有一套完整的解决方案，本文中的IPI分析是其中的一种方案。

关键词:白车身，有限元，接附点，动刚度，源点导纳
Abstract：The local dynamic stiffness of attaching points is the key point to NVH performance of a vehicle, and it should be considered first in NVH analysis. MSC Nastran can provide a series of solutions for normal frequency NVH analysis of total vehicle, and IPI analysis in this paper is one of these solutions.
Key words: BIW, CAE, NVH, IPI, MSC Nastran
1 前言
随着消费者对汽车的要求越来越高和对汽车认识的成熟，汽车的NVH性能也成消费者非常关注的性能指标之一。

NVH测试试验虽然是一种必不可少的可靠的方法，但有滞后的缺点，必须要在样车完成之后才能进行试验并发现问题，然后解决问题。

如果问题严重，还将带来开发周期的延长和巨额的设计变更费用，增加开发成本。

整车NVH性能的CAE分析方法，其优点在于可以在没有实物样车的工程化设计阶段，较为准确地评价整车的NVH 性能，并提出改进方案，尽可能在设计阶段解决车身结构及包装上可能存在的NVH问题。

为最后得到NVH性能优良的汽车，在设计阶段就打好良好的基础。

利用现有软件MSC Nastran，可以对整车的中低频NVH性能进行有效地分析及评价。

其中，IPI（Input Point Inertance）分析是评价NVH性能的重要分析方法之一，是用于考察车身与发动机、悬架连接的接附点的局部动刚度这一个重要指标。

白车身接附点局部动刚度所考察的是在所关注的频率范围内该接附点局部区域的刚度水平，刚度过低必然引起更大的噪声，因此该性能指标对整车的NVH性能有较大的影响，是在整车NVH分析中需要首先考虑的因素。

2 分析模型
由于IPI分析是考察白车身的各接附点局部刚度，因此分析对象包括白车身上的弹簧接
附点、减振器接附点、发动机接附点等所有的接附点。

在实际的分析中，由于车身结构左右侧结构基本对称，因此只需分析一侧的接附点即可。

3 分析理论 源点加速度导纳：()a 2
a 22K f 2K F x F a IPI πωω==== （1） 其中 ：
x /F K a =为接附点动刚度；为加速度；圆频率x a 2ω=f 2πω=
IPI 分析得到的响应曲线如图1所示。

计算得到IPI 曲线所包围的面积，则有：
∑∑∑Δ=Δ=Δ=i i a i a i i i IPI f K f f K f f IPI AREA 222244*ππ （2）
得到该接附点的动刚度：
IPI i a AREA f f K ∑Δ=2
24π （3）
根据式（3）作出动刚度曲线如如图2所示，该曲线所包围的面积等于IPI 响应曲线所包围的面积。

通过与动刚度目标值比较来评价各接附点的动刚度水平。

图1 IPI 分析响应曲线及其所包围的面积
图2 动刚度曲线所包围的面积
4 分析方法
用于IPI分析的白车身分析模型无约束，为自由状态。

将每个接附点的每个方向（X、Y、Z）的激励载荷定义为一个载荷工况，载荷为1N的集中力，频率范围为所关注的中低频率，同时将激励点定义为响应点，且响应自由度与激励自由度相同，例如Z向单位激励的响应输出为Z向加速度。

图5为接附点的激励载荷示意。

X向
Y向
Z向
图5 接附点激励载荷定义
由IPI分析得到一个接附点某方向的响应曲线，如图6-7中的曲线“IPI”，根据前面的公式计算得到该点的动刚度Ka，再根据动刚度目标值Kd得到一条IPI格式的Kd曲线。

该接附点的动刚度评价标准为：1、Ka值大于Kd值；2、然后将该点的IPI曲线与Kd曲线比较，如果IPI曲线在Kd曲线下方，则表示该接附点在该方向的动刚度满足目标值，对于IPI 曲线上某些超出Kd曲线的峰值则需要重点关注。

引起某个频率的响应峰值的原因是该频率下的刚度过低，但并不一定是该接附点的附近局部区域的刚度过低引起，因此需要利用直接频率响应分析、灵敏度分析等方法找到引起该响应峰值的刚度较低的部件或局部区域，通过优化改进该部件或局部区域的刚度来降低该响应峰值。

4.4 分析结果
以下为某车型的某个接附点的动刚度分析优化过程。

通过IPI 分析，得到该接附点的IPI 曲线和动刚度Ka ，Ka 能够满足动刚度目标值Kd ，但从IPI 曲线上可以看出，有4个响应峰值需要改进，图6为该接附点的Z 向IPI 分析结果曲线。

通过直接频率响应分析，发现引起其中2个频率上的响应峰值都是由同一个局部区域较低的刚度引起，在与设计部门讨论并确定了5种改进方案并经IPI 分析后发现，第5种改进方案能较明显地降低这2个频率的响应峰值，并且在关注频率范围内动刚度都有显著提高。

图7为方案5（绿色虚线）与原方案（红色实线）在该接附点Z 向IPI 曲线比较，
运用相同的方法，可以逐个对每个接附点的每个方向的动刚度及响应峰值进行优化、改进。

图6 某接附点Z 向IPI 曲线
原方案
峰值降低
峰值降低 改进方案
图7 某接附点改进方案的IPI 曲线比较
5 结论
运用基于MSC Nastran的IPI分析方法可以考察车身结构对于整车的中低频NVH性能的影响，并可指导用于改进整车NVH性能的车身结构的优化措施，在设计阶段解决潜在的NVH问题。

车身接附点的动刚度对于整车NVH性能有直接的影响，需要首先关注；
IPI分析通过运用频率响应方法分析接附点的源点导纳响应来评价局部动刚度；
IPI分析只用于评价接附点的动刚度水平及发现关注频率范围内的响应峰值。

影响接附点动刚度的因素并不局限于该点附近结构区域的刚度，要找到引起动刚度较低或响应峰值的原因，需要运用直接响应分析或灵敏度分析等方法来确定在该频率下刚度最低的局部结构。

6 参考文献
[1] MSC Nastran Quick Reference Guide
[2] 马大猷.现代声学理论基础.北京：科学出版社
[3]〔澳〕M.P.诺顿.工程噪声和振动分析基础.北京：航空工业出版社。