白车身模态分析与识别
Analysis and Identify of Body In White
刘红，朱凌，门永新
吉利汽车研究院，浙江杭州 310000
摘要：白车身的模态分析可以通过试验和CAE两种途径进行。
试验虽然能相对真实地反应试验车辆
的性能，但周期长、成本高且干扰因素多。
CAE仿真分析白车身模态可以有效避开这些问题。
同时，
结合模态识别的4点和24点法，CAE仿真能更准确、便捷地了解白车身模态性能。
尤其在车辆开发前期，能有效指导车身设计。
关键词：白车身，NVH，模态，试验，识别，HyperGraph
Abstract: BIW’s mode can be obtained through testing and CAE. Although testing can relatively reflect the true performance of the vehicle, it is expensive in both cost and time, as well as other unpredictable factors. Meanwhile, CAE can easily avoid these problems, and can more accurately and conveniently to obtain the performance, combining with the 4-point and 24-point method for the modal identification. Especially in the early stage of the vehicle development, CAE method can effectively guide the design of body.
Key words: BIW, NVH, mode, test, identify, HyperGraph
1 概述
白车身模态分析作为整车NVH分析的一个基础环节，对整车NVH性能管控起着关键的作用。
模态分析能够反映出结构在低频范围内的振动问题，尤其对避开路面和发动机激励尤为重要。
一般4缸机的怠速激励在25Hz左右，路面激励在20Hz以内，故白车身一阶模态应在40Hz左右才能使得TB 的一阶模态避开上述两种激励，而如何准确地识别出白车身一阶模态成为车身设计的关键问题。
解决上面的问题，目前可用模态测试或者模态识别（CAE的方法）来判断，本文从这两个方面研究了白车身模态分析方法。
2 模态测试方法
目前试验模态分析技术已经成为解决振动噪声以及疲劳强度等实际问题的一项最重要、应用最广泛的技术手段【1】。
通过模态试验识别出的汽车白车身的结构动力学特性对于乘坐舒适性和结构可靠性起着决定性的作用，是汽车新产品开发中结构分析的主要内容，特别是车身的低阶弹性模态是控制其振动噪声的关键基础性指标之一【2】。
2.1 测试方法简述
模态测试是同时测量结构的输入和输出信号而得到结构的频响函数，即通过激励和响应，推知结构的特性【3】。
可以根据试验条件选择单点或多点激励，常用的做法是采用两个激振器产生随机信号对车身进行激励，两个激振器分别置于车身左后纵梁处以+Z方向激励和发动机舱右悬置安装点纵梁的+Y 方向激励，在车身上布置加速度传感器以采集车身结构的响应，试验状态如图1所示。
图1 白车身试验状态示意图
试验时要用弹性绳将车身悬吊，来近似达到自由的状态。
激励点的选择应尽可能放在避开模态节点且刚度较大的位置，以便能量能传递出去。
从加速度传感器采集到的数据能够在LMS Testlab分析软件中得到试验的几何模型，如图2所示。
图2 白车身试验的几何模型
采集得到白车身几何模型的振型需要结合稳态图来确定模态参数，如图3所示。
图中每个极点对应着一个模态振型，这样能快速找出各阶模态。
图3 测试车稳态图
模态测试虽然能够得到模态参数，但所耗费的人力和物力较大，不能随着研发流程反复去做，而CAE的仿真分析重复性强，周期短，借助白车身的有限元模型来进行模态识别也是常用的一个方法，下文将重点阐述该方法。
3 CAE模态分析与识别
3.1 模态分析
目前白车身的有限元模型一般采用主流的建模软件HyperMesh来建立，白车身的有限元模型（不含四门两盖，不带前、后挡风玻璃），车身钣金件均采用壳单元模拟，焊点的连接采用ACM模拟，螺栓连接采用RBE2，顶盖与顶盖横梁的连接采用实体单元模拟（给其赋予胶的特性），在自由状态下计算模态。
模型建好后在条件允许的情况下要用试验结果来修正模型，在不具备该条件时暂且在现有模型基础上来做模态识别。
3.2模态识别
模态识别采用的是基于模态的频响分析方法，通过得到的频响曲线来辅助识别模态，基本原理和试验测试类似，相当于在仿真中再现了试验，但其操作方式比试验更加灵活，下面将介绍下常用的4点和24点法的分析步骤。
3.2.1 4点法分析原理【4】
图4 4点法示意图
分析步骤如下：
1) 4点法的取点位置为前悬架左、右减震器安装点和后悬架左、右弹簧安装点（如图4所示）；
2) 激励采用单位动载荷进行频响分析；
3) 响应是激励点的加速度；
4) 工况包含弯曲和扭转两种；
5) 结果以实部和虚部的形式输出到punch文件中；
6) 后处理采用HyperGraph来读取结果文件。
3.2.2 24点法分析原理
图5 24点法示意图
分析步骤如下：
1) 24点法的取点位置是沿着白车身的轮廓如图5所示（其中C柱中间点可选择性地选用）；
2) 激励采用单位动载荷进行频响分析，激励点为纵梁前端和纵梁后端左右对称的4个点；
3) 响应是24个点的加速度；
4) 工况包含弯曲和扭转两种；
5) 结果以幅值和相位的形式输出到punch文件中；
6) 后处理采用HyperGraph来读取结果文件。
4 应用案例
本案例以某三厢车为例介绍4点法和24点法进行模态识别的区别。
4.1 白车身模态识别（4点法）
为了缩短前处理的时间，以下分析均采用头文件来编辑计算文件。
按照上文步骤，首先打开Hypermesh，显示出4个激励点的ID号，然后将ID号如图6所示，写入头文件，建立SET点，以便后面调用。
图6 建立SET点
按图7所示分别定义扭转和弯曲的载荷：
图7 定义载荷
图8 定义模态阻尼和频率载荷
扭转载荷施加的原则是对角线的任两个点力方向相同，沿X向的任两点力方向相反，且4个点均在Z向上加载；弯曲载荷施加的原则是4个点力方向相同且沿Z向加载；模态阻尼和频率载荷的调用如图8所示。
图9 定义工况
定义弯曲和扭转工况如图9，至此头文件的主体部分已经定义好，求解器可以按需选择，载入文件即可以得到punch文件，在HyperGraph中打开该文件，按实部和虚部显示。
如图10和11所示，实部4条曲线的交点同时也是虚部4条曲线的峰值点，则该频率对应着白车身的一个主要振型，通常在60Hz范围内找出符合条件的频率，然后结合模态分析得到的振型，去进一步确定1阶弯曲和1阶扭转的振型和频率。
图10 弯曲工况
图11 扭转工况
4点法由于取点较少，操作起来相对简单，但得到的峰值点较少，常用来判别1阶扭转和弯曲，为了进一步识别其他的重要振型，可以采用24点法，如下文所示。
4.2 白车身模态识别（24点法）
用来计算的头文件写法和4点法是一致的，唯一不同的是激励点和响应点，激励点为图5中所示的纵梁前端和纵梁后端在左右对称的位置各取一点，在HyperMesh中显示24个点的ID号，创建SET 如图12。
图12 建立SET点
激励点的加载方式和4点法一致，响应是SET中所有点加速度的幅值和相位，同样的可以计算得到punch文件，在HyperGraph中显示所有点的幅值曲线，然后在曲线列表中选中所有曲线求其RMS 的曲线，结果如图13和14所示。
图13 弯曲工况
图14 扭转工况
从两种方法得到的结果曲线可以看出，同样的模型按照不同的方法求得的峰值点的个数是不同的，但都能够辅助工程师去识别1阶弯曲和扭转的模态振型，不同的是24点法得到的峰值点更多，可以识别出其他重要的振型。
5 总结
CAE和试验两种白车身的模态分析方法各有优劣，尤其是CAE的4点和24点法进行模态识别，能更便捷地识别模态振型。
模态试验能较真实地反映测试车辆的实际状态，但考虑到试验数据也存在不一致性。
CAE可以辅助试验来排除人为因素，因此，白车身的模态分析应该综合考虑二者的结果。
6 参考文献
[1]李立军,余卓平,靳晓雄等. 汽车整车及零部件试验模态分析测试技术[J]. 汽车研究与开发, 2000.5.
[2]李英平. 汽车车身模态分析实例研究[J].汽车技术，2007.11.
[3]庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动[M].北京：北京理工大学出版社, 2006.6.
[4]包国建,黄茁,瞿元,李畅. HyperWorks自动化技术在白车身模态识别中的应用[J]. Altair 2013 技术大会
论文集, 2013.。