考虑到改善白车身整体扭转的振动特性需涉 及较多的板件,无 法 仅 依 靠 在 个 别 板 件 采 取 局 部 加强措施来完成,所 以 采 用 以 白 车 身 板 件 厚 度 作 为优化变量的尺寸优化方法来减小副车架前支架 安装点、发 动 机 安 装 点 和 变 速 器 安 装 点 在 30Hz 左右 Z 方向IPI曲线的峰值。
有限元方法运 用 离 散 概 念,把 连 续 体 划 分 为 有 限 个 单 元 的 集 合 ,通 过 单 元 分 析 和 组 合 ,考 虑 边 界 条 件 和 载 荷 ,得 到 一 个 方 程 组 ,求 解 此 方 程 组 获 得相应指标 。 [3] 结构优化中的形状优化是通过 修 改结构尺寸来达 到 优 化 目 的 的;而 拓 扑 优 化 可 引 导设计者去考虑 最 有 效 的 载 荷 路 径,而 不 仅 仅 从 现 有 设 计 方 案 去 考 虑 ,使 复 杂 结 构 和 部 件 可 灵 活 、 合理地进行 优 选,以 获 得 最 佳 效 果 。 [4] 在 常 用 的 拓扑优化方法中,变 密 度 法 是 人 为 地 建 立 材 料 密
图 3暋 副 车 架 前 支 架 安 装 点 IPI曲 线
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图 6暋 变 速 器 安 装 点 IPI曲 线
图7暋发动机安装点Y 方向IPI曲线
从 图 3、图 5 和 图 6 可 以 看 出 ,在 30Hz左 右 , 副车架前支架安 装 点、发 动 机 安 装 点 和 变 速 器 安 装点在 Z 方向IPI曲线都出现了峰值并且大大超 过了等刚度 曲 线。对 比 白 车 身 模 态 分 析 结 果,发 现此处峰值由白车身的整体扭转振动引起。
图9暋优化前后副车架前支架安装点Z 方向IPI曲线 图10暋优化前后发动机安装点Z 方向IPI曲线 图11暋优化前后变速器安装点Z 方向IPI曲线
图 8暋 厚 度 尺 寸 作 为 尺 寸 优 化 变 量 的 9 组 板 件
表 1暋 尺 寸 优 化 和 圆 整 结 果
mm
优化变量 前铰链立柱内板
上边梁内板 后窗台板
Keywords:mounting point;dynamicstiffness;inputpointinertance(IPI);size optimization; topologyoptimization
0暋 引 言
汽车的 NVH 性能是近年来备受关注的性能 指标。在车身结 构 中,一 些 关 键 的 质 量 块 安 装 点 是车身振动的重要来源。这些质量块安装点的动 刚度对车内振动 和 噪 声 有 着 巨 大 的 影 响,因 而 对 其动刚度进行分析和优化具有十分重要的工程意 义。文 献[1]建 立 了 评 价 动 态 特 性 的 速 度 频 率 响 应函数,利 用 Point Mobility 方 法 对 算 例 进 行 了 模 拟 计 算 ;文 献 [2]阐 述 了 质 量 块 安 装 点 动 刚 度 的 研 究 方 法 ,其 中 包 含 了 模 拟 计 算 与 试 验 的 对 比 。
中 国 机 械 工 程 第 21 卷 第 6 期 2010 年 3 月 下 半 月 图 4暋 副 车 架 后 支 架 安 装 点 IPI曲 线
图 1暋 白 车 身 有 限 元 模 型
3暋 白 车 身 质 量 块 安 装 点 局 部 动 刚 度 分 析
对白车身上 四 个 质 量 块 安 装 点(包 括 连 接 白 车身和副车架的副车架前支架安装点和副车架后 支架安装点,用于 连 接 白 车 身 和 动 力 总 成 的 变 速 器安装点和发动 机 安 装 点,如 图 2 所 示)进 行IPI 分析。由于车身 结 构 左 右 基 本 对 称,所 以 只 分 析 一 侧 的 副 车 架 前/后 支 架 安 装 点 的 动 刚 度 。
暋暋从图9~图11可以看出:修 改 后 三 个 质 量 块 安装点在30Hz左右频段 内 的 Z 方 向IPI曲 线 峰
图12暋优化前后发动机安装点Y 方向IPI曲线
值均明显减 小,达 到 了 提 高 动 刚 度 的 目 的。修 改 后质量增 加 了 4灡35kg,并 没 有 超 过 5kg(要 求 质 量 增 加 不 超 过5kg)。
收 稿 日 期 :2009—06—12 基金项 目:国家自然科学基金资助项目(50705067);上海市数 字 化 汽 车 车 身 工 程 重 点 实 验 室 开 放 基 金 资 助 项 目 (2008005)
度与材料特性之 间 的 关 系,拓 扑 优 化 后 得 到 单 元 密度值,且优化后的结构比较清晰 。 [5飊6]
为了减少尺寸 优 化 的 变 量 数 目,首 先 对 白 车 身 可 进 行 更 改 的 104 个 主 要 板 件 的 板 厚 进 行 灵 敏 度分析,得到 对 三 个 质 量 块 安 装 点 Z 方 向 上IPI 曲线峰值影响显著的部件。为了不减弱白车身静 态刚度,选 择 其 中 9 组 (图 8)随 板 厚 尺 寸 增 大 而 加速度响 应 减 小 的 板 件 尺 寸 作 为 尺 寸 优 化 的 变 量。以副车架前 支 架 安 装 点、发 动 机 安 装 点 和 变 速器安装点三个质量块安装点在相应工况下所对 应的加速度响应值幅值的最大值作为优化的约束 函数,质量最 小 作 为 优 化 目 标。考 虑 到 实 际 生 产 的 需 求 ,将 优 化 后 的 尺 寸 圆 整 ,且 圆 整 值 取 原 设 计 中所采用的板厚系列中的值。优化和圆整结果见 表 1。 修 改 后 重 新 进 行 IPI分 析 ,结 果 如 图 9~ 图 12 所 示 。
后风窗下横梁上板 后围板
上边梁外侧加强板 后立柱内板 后窗台侧板
前风窗下横梁上板
初始值 1.0 1.0 0.65 0.65 0.65 1.2 0.65 0.65 0.65
优化值 1.0
1.064 0.831 1.463 0.864 1.302 1.412 0.974 0.883
圆整值 1.0 1.0 0.8 1.5 0.8 1.2 1.4 1.0 0.8
=
氊2 Ka
=
(2毿f)2 Ka
式中,F 为质量块安装点所受载荷;Ka 为质量块安装 点 动
刚度;a 为加速度;氊 为圆频率。
2暋 有限元建模
轿车白车身主要由冲压板件焊接而成。根据 某公司提供的几 何 模 型,抽 取 冲 压 板 件 的 几 何 中 面,采用壳单 元 进 行 网 格 划 分。为 了 在 拓 扑 优 化
另外,如图12所示,在 100Hz左 右 频 率 段 上 发动机安装点在Y 方向的IPI曲线高出等刚度曲 线部分也下降到 等 刚 度 曲 线 以 下,不 需 要 再 针 对 其进行优化。
笔者 运 用 Hypermesh 软 件 中 的 OptiStruct 模块,建立了 某 A 级 车 白 车 身 的 有 限 元 模 型,对 白车身与副车架的 两 个 连 接 点 (副 车 架 前 支 架 安 装点和副车架后支 架 安 装 点)以 及 白 车 身 与 动 力 总 成 连 接 点 (发 动 机 安 装 点 和 变 速 器 安 装 点 )分 别 进行 了 源 点 加 速 度 响 应 (inputpointinertance, IPI)分 析 。
Abstract:A FEM modeloftheBIW(body-in-white)ofaclassvehiclewasconstructed.The curvesofIPIofthemountingpointsandtherangesoffrequenciesinwhichthemountingpointswere inthesituationoflow dynamicstiffness wereobtainedbyanalyzingthedynamicstiffnessofthe mountingpoints with the method ofIPI.Thesize optimization andtopology optimization were introducedtoimprovethedynamicstiffnessofthemountingpoints.Theresultsdemonstratethatthe introductiontotheseoptimization methodsmakesthedynamicstiffnessimproved.
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中得 到 清 晰 的 结 构,基 本 的 网 格 尺 寸 取 为 10mm暳10mm。各 冲 压 板 件 以 及 各 总 成 之 间 的 焊点用 CWELD 单 元 模 拟。 胶 接 结 构 采 用 体 单 元模拟。最后建立的有限元模型(图 1)共 有 节 点 386526个,壳 单 元369312个,体 单 元 828 个, CWELD 单元4925个。
关 键 词 :质 量 块 安 装 点 ;动 刚 度 ;源 点 加 速 度 响 应 ;尺 寸 优 化 ;拓 扑 优 化 中 图 分 类 号 :U463.82暋 暋 暋 文 章 编 号 :1004—132X(2010)06—0721—04
DynamicStiffnessAnalysisandOptimizationforBody-in-whiteMountingPoints GaoYunkai暋WangYi暋LinDian暋Yu Haiyan TongjiUniversity,Shanghai,201804
图 5暋 发 动 机 安 装 点 IPI曲 线
图 2暋 质 量 块 安 装 点 位 置
白车身分析 模 型 无 约 束,为 自 由 状 态。 将 每 个分析点的每 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 为关注的中低频 率 范 围),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 ,得 到 相 应的 加 速 度 响 应,并 且 通 过 数 据 处 理 得 到IPI曲 线 ,如 图 3~ 图 7 所 示 。