｛ （ ｙ ｆ ）＝ｆ ｘ Ｙ ｚ ｅ： Ｈ ， ，， ） ６（ ， ，） ｌ ｜ ＇
（） ３
其 中 ： ｑ 。 ，））为矢 量振 幅 ； ｛ （ ＇ｚ ｂ ， ∞ 简谐 运 动 的角 频 率 。将其 代人 （ ） 得 ： ２， 【 一∞ 】 ｂ ｅ ｐ ｉ ｉ ＝ ） Ｋ （ ｘ （ｔ Ｏ ） ｏ） （） ４ （） ５
果 精 确度 降 低 ； 删 去 对 整 体 性 能 影 响 不 大 的 小 部 ③
件， 但保 证 总体 白车 身质 量与 实际 质量 相差 不大 。 现代轿 车 多采用 全 承载式 车 身 ， 体骨 架结构 由 车
车体结 构件 及 覆 盖件 焊 接 而 成 】 白车 身 的焊 接 工 。
中 图分类号 ： ４ Ｕ６ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： ０ — ４４ ２ ｌ ） ３ ０ ２ － ３ １ ６ ４ ｌ （０ １ ０ － ０ ６ ０ ０
Ｍ ｏ ｌａ ａ ｙБайду номын сангаасｉ ｎｄ ｏ ｉ ｉａ ｉ ｎ ｏ ａｒ ｓｂｏ ｙ—ｉ ｄａ ｎ ｌ ｓｓ ａ ｐｔｍ ｚ ｔｏ ｆｃ ｄ ｎ—ｗｈ ｔ ｉｅ Ｘｉ ａ ｙ ， Ｆ ｎ ａ ａ Ｚｈ ｏ－ ｉ ｅ ｇ Ｌ ｎ—ｆｎ ａ ｇ，Ｗ ａ ｇ Ｈｏ ｇ ｉｏ，Ｈ ｕ ｎ－ｂ ｎ ｎ －ｘａ ｉＹａ ｏ
Ａ ｓｒｃ：Ｆｎ ｅ ｍ ｎ ｍ ｄｌ ｎ ｙｉｔｅｒ ｉ ｄ ｃ ｓ ｄｂ ｅｙ． ｄｆ ｉ ｌ ｎ ｍ ｅ ｃｒ ｏｙ ｉ－ ｈｔ（ Ｉ ｂ ｔ ｔ ｉｉ ｅｔ ｏａ ａ ｓ ｏ ｉ ｕｓ ｒ ｆ ａ ｎｔｅｅ ｔ ｏ ｌ ｆ ａ’ｂ ｄ－ｎ ｗ ｉ ＢＷ） ａ ｔ ｄｅ ａｌ ｓｈ ｙ ｓ ｓ ｅ ｉ ｌ ｎ ｉ ｅ ｍｅ ｄ ｏ ａ ｓ ｅ
研 穷 与 分 析
・
机械 研 究 与 应 用 ・
某 轿 车 白车身模 态 分 析 与 优化
夏 兆义 ， 冯兰芳 ， 王宏 晓 ， 惠延 波
（ 河南 工 业 大 学 机 电 工程 学 院 ， 州 河 南 郑 ４００ ５ ０７）
摘
要： 论述有限元模态分析基 本理论 ， 采用 Ｈ ｐ ｒ ｓ ｙｅｍｅｈ软件 建立 了某汽车 白车身有 限元模型。通过 ｏ ｔｔ ｃ 对该模 ｐ ｓｕｔ ｉｒ
（ ｃｏｌｆｍ ｃａ ｉ ｌ ｌ ｔｃｌ ｎ ｉ ｅ ｎ ， ｔ ａ ｎｖｒｔ ｏ ｅｈｏ ｇ ， ｈｎｚｏ ｔ ａ ４ ００ ，ｈｎ ） Ｓｈｏ ｏ ｅｈ ｎ ａ ＆ｅ ｃ ｉ ｇｎ ｒ ｇ Ｉ ｎ ｎｕ ｉ ｓｙ ｆｔ ｎｌ ｙ Ｚ ｅｇｈ ｕｔ ｎ ｎ ５ ０ ７ Ｃ ｉ ｃ ｅ ｒａ ｅ ｅ ｉ ｅ ｅ ｉ ｃ ｏ ｅ ａ
收稿 日期 ：０ １ ０ —１ ２ １—４ １
作者简介 ： 兆义（９３ ） 夏 １ ８ － ，男 ， 南 南 阳人 ， 士 ， 究 方 向 ： 向工 程 、 限元 分 析 及 结 构 优化 。 河 硕 研 逆 有
・
２ ・ ６
砜 夯 与 分 析
・
机械 研 究 与 应 用 ・
驶 时 ， 面对 汽车 的激 励 频率 低 于 ２ ｚ 路 １Ｈ 。但 希望 固 有 频率 能较 多 的高 于 ２ Ｈ ， １ ｚ 以避 免 汽 车 的激 励 引起 的共振 发生 。
则 ： 将 部 分 大 圆形 孔 简 化 为 多 边 行 孔 ， 径 小 于 ① 半
５ ｍ 的孔 可忽 略不计 ； ｍ ②单 元 数 目不 宜 过多 ， 否则 将
对 计算 机 软件 和 硬 件设 备 提 出更 高 的要 求 ，要 耗 费
更 多 的计算 时 间 ； 不 易 过 少 ， 少 将 会 导致 计 算 结 也 过
三 边 形 角 度 小 于 １０ ， ２ 。 单 元 翘 曲 角 度 不 大 于 图 １ 白车身有限元模型 ｌ。 ５ 。在 划分 过 程 中对 网格 质 量 进行 控 制 ， 模 型 中 在 使 三角形 单元 的数 量 占单 元 总数 量 的 ２ ７ ， ． ％ 其余 均
频 率值作 为 指标 ， 该值 的具 体数 据范 围 目前 尚无标 对
场竞 争 力 。
ｆ Ｋ一∞ ｆ ０ ＝
（） ６
２ 有 限 元模 态 分 析 理 论
对 于一般 的多 自由度弹性结 构 的动力学 问题 ， 其
解方程可得到一组离散的频率解 （ ＝１２ …， ｉ ，， ｒ）将其代入式（ ） ｔ， ５ 可得每一频率对应的位移。 有 限元 模态 分析 是将 无 限个 自由度 的连 续 系统
１ 引 言 汽车 白车身模态参数反映自车身结构 的基本振
动特性 ， 响着 汽车 的强 度 、 影 可靠 性 、 用 寿命 、 坐 使 乘 舒 适性 等是 其他 性 能分 析 的基 础 也是 汽车 新产 品 开 发结构 分 析的 主要 内容之一 。 如 何在 汽车设 计 阶段 真实 的模 拟 白车 身 的模 态 参 数变 得越 发重 要 。考 虑 到有 限元 模 态 分 析 已经 达
动力 平衡 方程 为 ：
【 】｛ ）＋【 】｛ ）＋ ［ Ｉ｛ ）＝（ ）） Ｃ Ｋ Ｈ （） １
其 中 ： ］ ［ 为整 体质量 矩 阵 ； ｃ 为 阻尼 矩 阵 ； ］ ［］ ［ 为
总体 刚 度 矩 阵 ； Ｍ ｛ ）是 加 速 度 向量 ；｛）为 速 度 向 “
量 ；ｕ （ ）为位 移 向量 ； ｔ ））为外力 向量 。 对 于无 阻 尼 自由振 动 系统 ， 振动微 分方程 为 ： 其
［ ＭＩｔ ）＋ ［ Ｉ｛ ）＝｛ ） Ｋ Ⅱ Ｏ 设无阻 尼 自由振 动 的解 为 ： （） ２
验 ， 以减少实 验次 数 ， 省实验 时 间 。 可 节
３ 有 限 元模 型 的 建 立
车身 有 限元模 型 ， 应具 有 足 够 的准 确 性 ， 能反 既
映实 际结构 的主要 力 学特 性 、 构 的 实 际状 况 ， 能 结 又 保 证 网格质 量 以提 高 计 算 精 度 ， 因此 需 遵 循 以下 原
艺主要有点焊和二氧化碳保护焊等。点焊是 白车身 装 配 时最重 要 的焊 接 方 式 ， 虑 到传 递 力 的特 性 ， 考 对 点焊 采用 Ｃ Ｌ ＷＥ Ｄ单 元 进 行 点 焊 的模 拟 。二 氧 化 碳 保 护焊 采用 Ｒ Ｅ Ｂ ２单 元进 行模 拟 ， 车 身 采用 板壳 单 该 元 （ｈ ｌ 进行 结 构 的离 散 化 在 Ｈ ｐｒ ｅｈ软 件 中对 ｓｅ１ ） ｙ ｅｍ ｓ 几 何模 型 进行 网格 划分 。 整体 网格 质量 为 ： 元 长度最 短不 小 于 ４ 单 ｍｍ， 长 宽 比大 于 １： ， 小 四 ５最 边形 内角 大于 ４ 。 最小 ５， 三边形 内角大 于 ２ 。雅 Ｏ， 可 比大于 ０ ５ 最大 四边 ．， 形 角 度 小 于 １５ ， 大 ３。最
划分 为有 限个 自由度 的离 散 系 统 然后 进 行 求 解 的方 法 。到 目前 为止 ， 限元分 析法 与实 验测得 的结 果误 有
差 已在 ５ 以 内。 因此 可 以在 实 验 前 对 白 车身 进 行 ％ 评估 ， 待评 估 结果 与 我 们要 求 比较 接 近 时 再 进 行 实
设 系统为线 性不 变系统 ， 上式 可 以简化 为 ：
Ｅ 一 】（ Ｋ ）＝｛ ） ０ 要 条件是 ： 上式 转 化 为 实特 征 值 问题 ， ｝ 非零 解 的充 ｛ 有
到较高 的分析精度 ， 】利用模态振型相关理论 ， 以某
白车身 为例对 计算 模 态及 振 型 进行 相 关 分 析并 进 行 设 计优 化 ， 时弥 补 了设 计 中存 在 的缺 陷 ， 强 其市 及 增
ｅ ｔｏｄ ｒ ｄ ￣ ｑ ｃ ｃ ｓ ｓｍｕ ａｅ ｙ ｏ ｔ ｚ ｔ ｎ，ａ ｄ ｔ ｅ Ｂ Ｗ ｅ ｉｎ ｉ ｃ ｎ ｕ ｔｄ ｉ ｒｄ ｃ ｅ ｉｎ ｓａ ｅ ｎ ｒ ｅ ｓｍｏ ａ ｅ ｕ ｎ ｙ ｉ ｉ ｌｔ ｄ ｂ ｐ ｉ ａｉ ｌ ｍｉ ｏ ｎ Ｉ ｄ ｓ ｓ ｏ ｄ ｃｅ ｎ ｐ ｏ ｕ ｔｄ ｓ ｔｇ ． ｈ ｇ ｇ Ｋ ｅ ｒ ｓ ｉ ｉ ｌｍｅ ｔ Ｉ ；Ｈｙ ｒ ｓ ；ｍｏ ａ ｎ ｙ ｉ ；ｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ：ｆ ｔ ｅ ｅ ｎ ；Ｂ Ｗ ｎｅ ｏ ｐ ｍｅ ｈ ｄ ｌ ａ ａ ｓｓ ｐｉ ａｉ ｌ ｍｉ ｏ
型进行模 态分析 计算， 到 白车身的各阶模态频率和模 态特性。并对 结果进行分析 ， 出利 用各 阶模 态的应 得 提 变能分布 ， 定车身结构弹性变形最大位 置的 方法， 确 有针对性 地加 强车 身的局部 刚度 用 以提 高固有频 率， 最 后计算 出优化后 的 白车身有较 高的各阶模态频率 ， 在产品设计阶段 较好 的指 导了车 身的设计。 关键词 ： 有限元 ； 白车 身； ｙｅｍｅｈ 模 态分析； Ｈ ｐｒ ｓ ； 优化
ｏ ｅ ｓ Ｉ ａｌｂ ｓ ｄ ｔ ｍｐ ｏ ｅ ｔｅ ｌｃ ｌｒｇｄｉ ｆｔ Ｗ ｎ ｅ ｉｈ ｒｎ ｒ ａ ￣ｅ ｅ ｃ ． Ａｔｌｓ ，ａ ｈ ｇ ｅ Ｗ ｄｉ ｒ ｄ ｒ ｒ ． ｔＣ ｌ ｅ ｕ ｅ ｏｉ ｒ ｖ ｈ ｏ ａ ｉ ｔ ｏ ｈｅＢＩ ａ ｄ ｇ ｔｈ ｇ ｅ ｏ ｌ ｉ ｙ ｍ ｕ ｑ ｎｙ ａ ｔ ｈ ｒＢＩ ｉ ￣ｅ －
（ ）该 车 的 发 动 机 怠 速 所 引 起 的激 励 频 率 是 ２ ２ Ｈ ， 常行 驶 时激 励 频 率 为 ２ ０ ， 然 发 动 机在 ６ ｚ正 ０ Ｈｚ显 怠 速运转 时容 易 引起 共 振 ， 响强 度 、 靠性 、 用 寿 影 可 使 命、 乘坐 舒适性 等 。 （ ）轿 车 白车身 的低 阶模 态 频 率 反 映 了 白车身 ３ 的刚度性 能 ， 对车 身 的刚度都 是拿 白车 身 的低 阶模态
ｉ ｃ ｅ ｔｄ ｗｉ ｌ ｐ ｒ ｓ ｏｔ ｒ ．Ａ ｄ ａ ｉ ｌ ａ ｏ ｓｄ ｎ ｎ ｌｚ ｈ Ｉ ｙｔ ｅ ｓ ｆ ａｅ ｏ ｔ ｔ ｃ ．Ｓ ｓｔ ｅ ｅ ｓ ｒ ａｅ ｔ ｌ Ｈｙ ｅｍｅ ｈ ｓ ｆ ｗａｅ ｍｏ ｌ ｍｕ ｔ ｎ ｉ ｏ ｅ ｔ ａ ａｙ ｅ ｔｅ Ｂ Ｗ ｂ ｈ ｏｔ ｒ ｐ ｉ ｒ ｔ Ｏ ａ ｇ ｔ ｈ ｓ ｉ ｏ ｗ ｓｕ ｏ ｔ ｄｆ ｒｎ ｒ ｅ ｓ ｍｏ ａ ｒｑ ｅ ｃ ｎ ｄ ａ ｈ ｒ ｃｅ ｉ ｉｓ ｈ ｏ ｇ ｎ ｌ ｚｎ ｓ ｌ，ｔ ｅｍｅ ｈ ｓｐ ｏ ｏ ｅ ｏ ｄ ｔｒ ｎ ｅ ｉ ｅ ｅ ｔ ｄ ｒ ｄ ｌ ｆ ｕ ｎ ｙ ａ ｄ ｍｏ ｌ ａ ａ ｔｒ ｔ ．Ｔ ｒｕ ｈ ａ ａｙ ｉ ｇ ｒ ｕｔ ｈ ｔｏ ｉ ｒ ｐ ｓ ｄ ｔ ｅｅ ｍｉ ｅ ｔ ｏ ｅ ｃ ｓｃ ｅ ｄ ｈ ｐ ｓｔ ｎ ｗ ｅｅ ｔ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｌｓｉ ｅｏ ａｉ ｎ ｔｋ ｓｐ ａ ｅ ｂ ｅｓｒ ｉ ｎ ｒ ｙ ｄｓｒ ｕｉ ｎ ｏ ｅｖ ｂ ａ ｏ ｄ ｅ ｆｄｆ ｒ ｎ ｏ ｉ ｏ ｈ ｒ ｘ ｍｕ ｅａ ｔ ｄ ｆｒ ｔ ａ ｅ ｌ ｃ ｙ ｔ ｔ ｎ ｅ ｅｇ ｉｔ ｂ ｔ ｆ ｈ ｉ ｒ ｔ ｎ ｍｏ ｓｏ ｉ ｅ ｔ ｉ ｈ ｃ ｍ ｏ ｈ ａ ｉ ｏ ｔ ｉ ｅ