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基于刚度灵敏度分析的轿车白车身结构优化_图文

发布时间:

第26卷第12期 2 0 0 9年1 2月

机械设计
JOURNAL OF MACHINE DESIGN

V01.26 No.12

Dee.

2009

基于刚度灵敏度分析的轿车白车身结构优化’

刘显贵1,一,陈无畏1
(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230099;2.南昌工程学院机械与动力工程系,江西南昌330099)

摘要:以国内桌型轿车车身为研究对象,建立了车身结构优化的有限元模型。基5-4'1度准则,在加我工况下对车身 进行刚度灵敏度分析。在此基础上利用均匀设计法设计了优化实验。优化结果表明:优化后的车身结构、刚度和灵敏度 更为合理,在车身刚度不变的情况下,车身总质量减少了8.9 kg。
关键词:轿车车身;灵敏度分析;结构优化;有限元分析 中圉分类号:U463.821 文献标识码:A 文章编号:1001—2354(2009)12-0058—04

在车身设计中,轻量化技术研究是一项重要的工作。据统 计,车身质量每减少100 kg,每100 km燃油消耗可节约0.2— 0.3 L。同时可节省大量的材料,降低制造成本。此外,车身作为 一种薄壁件会影响整个汽车的性能:经济性、舒适性、安全性和 稳定性。整车车身设计十分复杂,其中牵涉到相当多的因素。 事实上,它是一项多学科的综合技术集成的优化控制系统。在 研究车身结构形状优化、尺寸优化和拓扑优化方面,国内外学 者已经做了大量的理论研究工作。在参数(尺寸)优化方面,从 20世纪80年代中期开始,Esping…,Brainbant,Fleury口J,Ben— nett,Bo kin【3j,Botkin等H1研究人员开始尝试利用综合软件系 统进行优化设计。隋允康"’61提出DDDU系统及钱令希川等提 出了基于序列二次规划(SQP)结构优化算法。顾元宪和程耿 东【s’在吸收结构优化设计理论研究成果基础上,开发出计算机 辅助结构优化设计软件MCADS,它是面向工程结构设计的实 用性技术软件,其优化算法是基于序列二次规划(SQP)和序列 线性规划(SLP)改良的优化算法。在拓扑优化方面,自Bend— floe等一1首先提出均匀化方法以来,拓扑优化在求解连续优化 模型如均质模型、变密度模型和变厚度模型等方面得到广泛应 用。渐进结构优化(ESO)方法¨o-15]是一种为解决各类结构优 化问题的数值方法,近几年发展很快,然而,其实际应用对大型 复杂的结构还显不足。文献[19]中利用田口法优化车身骨架, 提高了全车车身的抗扭和抗弯刚度。文献[20]中利用ANSYS 有限元软件与梯度法进行了车身在受载工况下厚度灵感分析, 优化了车身结构部件的厚度。
文中以国内某车型实际白车身为研究对象,在MSC.NAS— TRAN中建立了有限元模型,首先对扭转和弯曲载荷下整个车 身结构零件刚度敏感度分析,在此基础上,优化了车身结构,使 得车身的刚度和敏感性更为合理。采用均匀设计法进行了优 化设计试验,结果表明,优化后的车身结构在抗扭和抗弯刚度 不变情况下其质量将远轻于优化前。
1 车身结构的优化设计模型
汽车车身结构是由许多薄壁件焊接组成,基于参数优化车 身轻量化技术就是要找到合适的最薄的相关车身组件,从而达

到车身质量最小的目的。然而,这样做可能会导致车身结构最

大应力的大幅度增加和刚度下降。因此,根据结构应力约束条

件建立以下优化数学模型。

设计变量tl,f2,…,“满足:



i,min矽=∑耽

{盯一<矿·

(江1,2,“’,Ⅳ)

(1)

【t户≤气≤t严

式中:屯——第i个车身组件的厚度;

蜥——第i个车身组件的质量;
形一车身总质量;
盯‘——许用应力;

t户,tr——第i个车身组件的许用最小和最大厚度;
Ⅳ_一蹩个车身组件的个数。
建立有限元模型之前,应考虑整个车身结构和薄壁件的布

局,以确定每个单元的几何参数。由于薄壁件的结构复杂,通

常由外壳和框架构成,所以要采用一组不同的单元模型,且每

个单元几何尺寸不完全相同。根据设计标准和车身薄壁件的

要求,每个单元几何尺寸可以参照有关的例子。文中利用有限

元法与MSC.NASTRAN分析某国产轿车车身,进行了网格划

分,车身模型由252 984个节点和240 272个单元组成,如图1

所示。

圈1原车身的有限元模型 对施加于车身载荷的处理,主要是弯曲和扭转载荷,其他 (如纵向和横向载荷)则低得多,在计算时不予考虑。弯曲载荷 主要来自于乘员、座椅、自重、装饰品和设备等。装饰和设备质 量通过计算每个单元均匀分布到每一个节点,而工作人员体重 和座椅质量根据座椅的位置等量分配到底板的相关节点上。 扭转荷载主要是由于不平地面引起的非对称支撑原因产生的。 用有限元模型计算结果与试验结果比较表明,文中的车身

·收稿日期:2007—1l一21;修订日期:2009—06—02 基金项目:2007江西省科技支撑计划资助项目(KJ2007016) 作者简介:刘显贵(1973一),男,江西都昌人,副教授,硕士,主要研究方向:汽车现代设计方法和主动控制技术,发表论文20篇。
万方数据

2009年12月

刘显贵,等:基于刚度灵敏度分析的轿车白车身结构优化

59

模型是合理的,结构分析数据和测试数据十分吻合。有限元方 法计算结果如图2和图3所示。
图2弯曲载荷下的计算结果

c=÷{P}T{HI=一_I广{,}T[K]一1[K]{HI=

÷{Ⅳ‘}7[一]{H‘}

(6)

式中:∥——第i个单元的位移矢量。

4i=÷{H‘}7[影]{口‘}

(7)

定义4;:为总刚度约束条件的灵敏度系数,表示由于去除

的第i个单元引起的应变能改变量。实际上,4;就是单元的应变 能。需要指出的是4。和c都是正值。
为了避免单元大小对单元应变能大小的影响,定义应变能

密度琅:

Dl=熹=寺{Ⅳ‘}7[髟]{∥I/Ai,';

(8)

式中:△K——第i个单元的体积。

由式(8)可以计算出所有单元的应变能密度,并用p表示:

p=(Dl,D2,…,DⅣ)

(9)

ADi=Di/max(DI,D2,…,D_】v)

(10)

式中:△珥——有维数的因子,大小在0—1之间,用来确定车身灵敏度

值的大小。

3 车身结构灵敏度分析

图3扭转载荷下的计算结果

2优化准则

对于静态结构优化问题,通常优化准则有刚度准则、全应 力理论、位移灵敏度准则和应力敏感度准则等。文中采用用刚

度准则。

在有限元分析中,结构的静态特性可由下列方程来描述:

[明{Ⅳl={P}

(2)

式中:[x]——总刚度矩阵;

{取}——整体位移矢量;

{P}——节点载荷矢量。

整个结构的应变能定义如下:

c=÷{,}7}口}

(3)



显而易见,为了使得结构的总刚度最大,相当于使得结构 应变能最小。

假定从由Ⅳ个单元构成的结构中去除第i个单元,该结构 总刚度矩阵的改变可表达如下:

[K]=[K‘]一[K’]=一[r]

(4)

式中:[K‘卜一去除第j个单元后的结构总刚度矩阵;

[∥]——去除第i个单元后的结构总刚度矩阵的改变量;

[r]——第f个单元的刚度矩阵。 假定第i个单元对节点载荷矢量{P}影响很小,忽略高阶

项,由方程(2)可以得出:

{球}=一[置]。1[K’]{H}

(5)

由式(4)和式(5)知:

万方数据

应用刚度准则,进行车身结构灵敏度分析。其流程如图4

所示。

有限元分析





单冗膻变能的计算



应变能密度的计算AD



生成应变能街度灵敏度欠±如


确定应变能密度网子AD<

灵敏度分析结果

图4灵敏度分析流程图 通过灵敏度分析,车身主要部件在弯曲和扭转载荷下最大 灵敏度分别如图5和图6所示。

圈5扭转载荷工况下车身最大灵敏度值的部件
4优化设计和数值模拟
文中采用均匀设计法进行了车身优化设计。均匀设计法 由国内数学家方开泰Ⅲ1最早提出,该方法应用统计学原理,考 虑将设计点均匀地散布在试验范围内,使得能用较少的试验点

60

机械设计

第26卷第12期

便可准确地获取最多的信息。采用均匀设计法设计实验使得 测试点均匀分布在设计区域。尤其是当需要更多测试时,测试 点少和测试点更具代表性是它的优点。该方法自提出以来在 医药、航空、化工、编织业和军事领域得到广泛应用。

用均匀设计法设计了优化实验。结构形状优化结果表明,车身 的刚度和灵敏度更为合理,在车身刚度保持不变的情况下,车 身质量了减少了8.9 kg。
参考文献

图6弯曲载荷工况下车身最大灵敏度值的部件

选用均匀设计表“,(13挖)来设计测试点,如表1所示。车 身结构部件可能的厚度初始值分布如表2所示。车身结构优 化如图7所示。

袭1均匀设计表Ula(1312)

\列箩





23 4



67





10 ll 12

试验粤\



















9 10 11 12











10 12





5 7 9 1l









12







ll



4 7 10







12





1l 2



10











10 2



12 4







ll 3





6 12 5

11



10

























3 10 4 ll

5 12 6







1I





9 4 12 7 2 10 5



95



10 6

2 ll



3 12 8



10

10







ll







12 9 6



ll

ll











12 10



64



12

12 11 10





76











13

13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13

表2车身结构部件厚度初始值

l试验点 l

















lO ll 12 13

l初始值 O.60 O.65 0.70 O.75 O.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20

图7优化后的车身最终结构图 经计算,结构优化后的车身总质量从301.5 l【g减少到 292.6 kg,减少了8.9 kg,保持弯曲载荷不变,在扭转载荷情况 下,最大应力从192 MPa下降187 MPa。整个车身结构刚度灵 敏度更加合理。
5 结论
以国内某轿车车身结构优化为目的,建立了有限元模型, 应用刚度准则,进行了车身结构灵敏度分析。在此基础上,利

[2] [3] [4] [5] C6] [7] [8] [9] [10]
[12] [13] [14]
n1靶 :.l副 Hl刀 H1 引 ¨吻l,‘明们 心2 =I

Esping Bjom JD.The OASIS structural optimization system[J]. Computers and Structures,1984,23(3):365—377. Braibant V,Fleury C.Shape optimal design using Bsplines[J]. Computem Methods in Applied Mechanics and Engineering,1984, 44(3):247—267. Bennett JA,Botkin ME.Structural shape optimization with geometric
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万方数据

第26卷第12期 2 00 9年1 2月

机械设计
JOURNAL OF MACmNE DESIGN

V01.26 Dec.

No.12 2009

基于轮毂电机驱动的全方位移动 .I平厶HI-1’
陆琦,沈林勇,章亚男,钱晋武
(上海大学机电工程及自动化学院。上海200072)

摘要:将全方位轮和轮毂电机驱动技术结合起来设计了一种新型的全方位移动平台,能在平面上实现任意方向运

动,用于空闻狭小的场合有较大优势。轮毂轮缘上垂直分布着很多小辊子,每个轮毂内都装有电机;平台采用了轮毂电

机直接驱动,较传统电机具有转矩大、损耗小、结构紧凑等优点。

关键词:全方位轮;全方位移动机构;轮毂电机

中图分类号:TP242.6

文献标识码:A

文章编号:1001—2354(2009)12—0061—04

传统轮式移动机器人在转向时需要改变本身姿态,占用较 大的移动空间,不适合在空间狭小的场合使用。文中设计了一 种由轮毂电机驱动的四轮全方位移动平台,实现了平面内的全 方位移动,驱动力强、损耗小、结构紧凑,省去了安装电机的空 间,适合在狭小空间移动,增加运动灵活性。全方位移动机器 人适用于在狭小空间下工作的家庭服务机器人,搬运机器人及 看护机器人的移动平台…。
1 全方位运动及全方位轮简介

轮,如美国kornylak公司的Omni Wheel【4 J,如图2所示。哈尔 滨工业大学研制的新型轮式全方位移动机构”1,该全方位轮小 辊子轴线与轮子轴线垂直,小辊子滚动起来时滚动摩擦可以忽 略不计,辊子所受摩擦力的方向基本与轮子前进方向一致,受 力情况较Mecanum轮有所改善,轮子正常转动时各个小辊子也 不存在滑动现象,可近似认为是纯滚动,小辊子转动灵活,不易 损坏,并且辊子的轮廓曲线比较简单,承载能力也较好;Omni轮 在RoboCup比赛中被大多数队伍采用。

全方位运动方式是一种可以在平面内沿任意方向、任意轨 迹进行连续运动的运动方式,可以完全控制机器人在平面运动 的3个自由度,包括2个水平运动分量和一角身姿态旋转分量。

@国

采用全方位轮机构是实现全方位运动的有效方式。

图1 Meetmtma轮

图2 Olmai全方位轮

当前全方位移动机构主要有3种形式:全轮转向式全方位

以上各种全方位轮均采用直流电机配合减速器来实现驱

移动机构,麦克纳姆轮旧1(Mecanum轮)和正交轮。Mecanum轮 动,传统的电机驱动需要减速器,传动链等机构,传动过程中存

是其中做得较成功、技术较为成熟的一种全方位轮,此种全方 在能量损失,由此设计了一种新型全方位轮,与轮毂电机驱动

位移动机构在实际中的应用比较多。

技术结合起来,采用轮毂电机并且将轮毂改造为全方位轮,节

如图1所示,轮缘上斜向分布着许多滚轮,故轮子可以横 省了安装空间,同时省去了传动机构。

向滑移。滚轮的母线很特殊,当轮子绕着固定的轮心轴转动

时,各个滚轮的包络线为圆柱面,所以该轮能够连续地向前滚 2 全方位轮原理及轮系布置方式比较

动。但是,由于其轮缘上的滚轮是斜向分布的,滚轮与母轮轴

线成450布置,滚轮存在滑动,致使向前主动的滚动和横向滑移 2.1辊子布置方式比较

之间存在相互影响,而且Mecanum轮结构复杂,加工成本高p1。

全方位轮的特别之处在于轮缘上斜向(或垂直)分布着许

针对Mecanum轮存在的不足,出现了各种改进型的全方位 多辊子,Mecanum轮存在辊子滑动,加工难度大,效率低等缺
《穸、驴、驴、驴、驴谚,西^驴驴《矿谚《矿、易、翻卜矗≯q矽、护、驴、妒、五卜电矿谚’盘铲谚驴,驴驴《矿抄妒电尹、荔、西^电争q矿’驴、霉、翻^电争q多谚驴《穸、驴、喀、d卜—驴谚

Structural optimization of car white body based on rigidity and sensitivity analyses
UU Xian.gIlil,-,CHEN Wu-wei’
(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei Polytechnic University,Hefei 230099,China;2.Department of Mechanical and Motive Power Engineering,Nanchang Institute of
Engineering,Nanchang 330099,China)
Abstract:Taking a certain typed domestic ear body as the oh- jeet of study,the optimization finite element model of cal"body Was
established.Rigidity and sensitivity analyses on car body were cal'-

ried out under loading conditions based on the criterion of rigidity. Using the uniformity designing method the optimization experiment Was designed on this basis.The result of optimization showed that the structure,rigidity and sensitivity of car body after optimization were more reasonable,the overall m88s of car body Was reduced by 8.9 kg under the condition of maintaining an invariable rigidity of
calf body.
Key words:Car body;sensitivity analysis;structural optimi— zafion;finite element analysis
Fig 7 Tab 2 Ref 21‘‘Jixie Shoi”7694

·收稿日期:2008—12—16;修订日期:2009—06—26 基金项目:国家863计划资助项目(2006AA042224);卜海市重点学科基金资助项目(Y0102) 作者简介:陆琦(1984一),男,上海人,硕士研究生,研究方向:智能机器及机器人。
万方数据

基于刚度灵敏度分析的轿车白车身结构优化

作者: 作者单位:
刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 引用次数:

刘显贵, 陈无畏, LIU Xian-gui, CHEN Wu-wei 刘显贵,LIU Xian-gui(合肥工业大学,机械与汽车工程学院,安徽,合肥,230099;南昌工程学 院,机械与动力工程系,江西,南昌,330099), 陈无畏,CHEN Wu-wei(合肥工业大学,机械与汽 车工程学院,安徽,合肥,230099)
机械设计 JOURNAL OF MACHINE DESIGN 2009,26(12) 5次

参考文献(21条) 1.Esping Bjorn JD The OASIS structural optimization system 1984(03) 2.Braibant V.Fleury C Shape optimal design using Bsplines 1984(03) 3.Bennett JA.Botkin ME Structural shape optimization with geometric desbription and adaptive mesh refmemem 1985(03) 4.Botkin ME.Yang RJ.Bennett JA Shape optimization of three dimensional stamped an solid automotive components,the optimum shape 1986 5.隋允康.钟万勰.钱令希 杆-膜-梁组合结构优化的DDDU-2程序系统 1983(01)
6.隋允康.王希诚 适合复杂工程实际的结构优化程序系统DDDU-2F[期刊论文]-计算结构力学及其应用 1985(03)
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8.顾元宪.程耿东 计算机辅助结构优化设计软件MCADS的开发与应用[期刊论文]-计算结构力学及其应用 1995(03)
9.Bendsoe MP.Kikuchi N Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method 1988(01) 10.Rong JH.Xie YM.Yang XY Topology optimization of structures under dynamic response constriants 2000(02) 11.Rung JH.Xie Y M.Yang X Y An improved method for evolutionary structural optimization against buckling 2001
12.荣见华.姜节胜.徐斌 多约束的桥梁结构拓扑优化[期刊论文]-工程力学 2002(04)
13.Xie Y M.Steven GP Evolutionary structural optimization 1997 14.Kim H.Querin Q M.Steven G P Development of an intelligent cavity creation(ICC)algorithm for evolutionary structural optimization 1998 15.荣见华.郑健龙.徐飞鸿 结构动力修正及优化设计 2002 16.叶元烈.秦东晨 薄壁覆盖件的结构优化设计 1999(03)
17.高云凯.蓝晓理.陈鑫 轿车车身模态修改灵敏度计算分析[期刊论文]-汽车工程 2001(05)
18.汪鸣琦.金国栋 田口法在汽车车身骨架刚度优化中的应用 1998(05) 19.钱令希 工程结构优化设计 1983
20.荣见华.姜节胜.胡德文 基于应力及其灵敏度的结构拓扑渐进优化方法[期刊论文]-力学学报 2003(05)
21.方开泰 均匀设计与均匀设计表 1994

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车身工程在现代汽车工业中占据着非常重要的地位。本文基于有限元理论,建立了详细的轿车车身有限元模型,进行了车身静态刚度分析、模态分

析、设计灵敏度及优化分析。结果表明此研究改进了车身的性能,对车身开发具有重要的意义,具体的工作和成果如下所述。 在Altair HyperWorks(HyperMesh)软件中,用壳单元对白车身进行网格划分,建立了详细的车身有限元模型。研究了车身焊点的模拟,并且使用
HyperMesh软件中的Connector模块处理技术对车身焊点进行处理。结果表明此技术改善了焊点的管理,提高了焊点的处理效率。 在使用MSC.Nastran软件计算的过程中,研究了约束(支撑)、结构本身特征和载荷的模拟对车身静态刚度和模态参数的影响。结果表明合理的模拟
有利于指导理论计算结果和试验结果之间的验证。 在理论和试验刚度分析中,研究了理论和试验刚度之间的联系。结果表明试验刚度值和理论计算刚度值的误差在1000N/mm或1000N·m/deg以内是可
以接受的。在理论模态和试验模态分析中,讨论了理论模态和试验模态之间的联系,并提出了利用各阶模态的应变能分布来修改结构的方法。 在设计灵敏度分析中,研究了车身静态灵敏度(包括车身静刚度对板厚和材料的灵敏度,车身质量对板厚的灵敏度)和车身动态灵敏度(包括车身固有
频率对板厚和材料的灵敏度),并将静态灵敏度和动态灵敏度结合起来考虑,进行车身结构改进。结果表明此方法通过改变较少的部件,增加较小的质量 提高了车身的刚度特性和振动特性。
2.期刊论文 高云凯.张海华.余海燕.Gao Yunkai.Zhang Haihua.Yu Haiyan 轿车车身结构修改灵敏度分析 -汽车工
程2007,29(6)
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对轿车车身进行刚度特性的分析,可以指导人们对车身结构进行优化。轿车车身大多数采用全承载式结构,这种结构可以满足结构轻量化、操纵稳 定性和制造工艺性等多方面要求。承载式车身几乎承载了轿车使用过程中的所有载荷,主要包括扭转和弯曲载荷。车身刚度不合理,将直接影响轿车的 各项关键性指标,如:结构可靠性和耐久性、车身安全性、操纵稳定性、NVH性能、燃油经济性、车身结构轻量化、车身密封性、车身的静态和动态特性 等。
进行轿车车身刚度优化分析的研究,其主要目的是合理提高车身整体刚度,对车身局部刚度的薄弱环节进行合理而有效的加强,使车身整体刚度达 到设计要求。同时,车身刚度优化可以使车身的振动特性得到改善,并且可以使车身整体重量得以最大程度上的减轻,进一步解决车身轻量化问题。
本文利用有限元法对某AO车车身进行了刚度特性分析,探讨了车身刚度优化分析的方法。介绍了车身轻量化优化数学模型及结构灵敏度分析基本理 论。探讨了车身轻量化策略及流程。建立了车身的有限元模型,分析了车身的结构灵敏度,对车身进行了优化设计,使车身减重3.37%,刚度和固有频 率均有所提高。优化结果表明,在轿车开发过程中,灵敏度分析为车身结构修改提供了依据,是提升汽车NVH性能及车身轻量化的有效途径。
5.期刊论文 杨搏.朱平.余海东.韩旭.Yang Bo.Zhu Ping.Yu Haidong.Han Xu 基于模态分析法的车身NVH结构灵敏
度分析 -中国机械工程2008,19(3)
以某SUV车为例,建立了车身及乘客室声腔的有限元模型.采用模态分析法,根据轿车车身结构和乘客室的声固耦合效应,通过模态分析得到车身结构和 室内声腔的各阶耦合振动模式,通过声压响应分析得到车内噪声级别,通过结构灵敏度分析识别出车内噪声的主要来源.针对噪声源提出的改进措施有效降 低了车内噪声.
6.学位论文 陈洪亮 轿车车身结构力学特征及轻量化设计 2009
如今,汽车已成为现代生活不可缺少的一种交通工具。一个国家的汽车制造业的水平,在很大程度上也反映了其科学技术水平。车身在整个汽车结 构中,不论就重量还是就成本而言,都占有相当大的比重。车身是汽车的三大总成之一,车身结构的合理与美观直接影响到整车,车身结构设计直接决 定整车的安全性、舒适性、美观性以及由车身外形与空气动力性能决定的操纵稳定性、动力性、经济性等。车身是轿车的关键总成,它的构造决定了整 车的力学特性。以有限元法为基础的车身结构分析已成为一种面向车身结构设计全过程的分析方法,车身结构设计的过程也随之成为一种设计与分析并 行的过程。现代车身结构分析不仅赋予了车身结构设计新的特点,促进了现代车身结构设计新趋势的形成,而且已成为车身结构设计中最有意义的内容 。本文的主要内容及研究成果如下:
本文对有限元分析的基本理论和有限元分析步骤进行了系统的阐述;对常用有限元分析软件ANSYS和HyperMesh的基本处理模块做了详细介绍。 以某微型车为例,对车身结构按照分总成进行了详细介绍;对车身结构的力学特征和主断面设计方法进行了较为系统的分析。 对车身结构有限元模型建模时几个关键技术问题的处理进行了论述,包括:车身钣金件上焊点的模拟,翻边、孔和加强筋的处理,单元选择和网格 划分等等。 建立了某微型车的发动机舱盖有限元模型,对该模型进行了低阶模态分析。对车身结构进行低阶模态分析不但可以考察车身结构的刚度,还可以指 导人们对车身结构进行优化分析。 以板厚为变量,对发动机舱盖进行了灵敏度分析,根据分析结果对灵敏度较高的发动机舱盖内板进行了结构优化设计。本文主要考虑车身结构的低 阶模态频率的提高和车身结构的轻量化设计两方面的优化问题。 本课题对车身结构进行了较为系统的动态分析,所建立的“模态分析—灵敏度分析—优化分析”过程能应用于其它相关研究,为其它相关研究积累 了一定的可借鉴的经验。对车身结构的优化分析和实现车身结构的轻量化设计具有一定的参考价值。
7.学位论文 杨搏 基于模态分析法的轿车车身结构低频噪声研究 2006
随着现代汽车技术的不断发展以及人们对乘坐舒适性要求的不断提高,汽车车内噪声的水平已经成为衡量车型设计成功与否的重要指标之一。车内 噪声主要由车身、发动机、传动系等结构振动以及轮胎、风噪声等引起,其中结构振动引起的噪声属于中低频噪声,这种噪声虽然声音响度不大,但长 时间处于这种环境中,很容易引起烦躁等人体不适,对驾驶安全影响很大,而车身是汽车的主要部件,在设计阶段就应该严格控制其NVH性能。近年来汽 车轻量化技术发展很快,轻质的车身结构可以提高动力性和燃油经济性,但往往会增加车身振动,提高车内噪声等级,特别是低频的结构噪声。因此如 何在考虑轻量化的前提下降低车内中低频噪声具有十分重要的意义。
本文研究范围为车内中低频固体传播噪声,以车内噪声分析和优化设计为研究内容。以某国产SUV轿车为实例,分别建立了车身结构、乘客室声腔及 声固耦合系统的有限元模型,进行了弯曲刚度和扭转刚度的计算并与实验进行对比验证了模型的正确性。基于模态分析法,分别分析了车身结构、乘客

室声腔的模态特性,并进行了声固耦合系统模态及系统振动特性的分析。通过动态响应分析给出车内噪声等级以及噪声的频率分布特性,得到两个峰值 噪声。为降低车内噪声,建立优化函数,以车内噪声最小化为优化目标,车身质量为约束条件,通过结构灵敏度分析定量确定了车身零件对峰值噪声的 贡献度系数,以关键车身零件作为优化设计变量,进行优化计算。优化结果显示两个峰值噪声有了明显的下降。本研究为今后的轿车噪声控制与研究提 供了可借鉴的方法。主要研究内容有:
(1) 建立结构、声腔及声固耦合有限元模型并进行模态分析 建立结构、声腔及声固耦合系统的有限元模型,进行弯曲刚度、扭转刚度计算,与实车试验对比验证模型的正确性,并进行模态计算分析,了解系 统的模态振动特性,为噪声分析控制提供基础。 (2) 系统动态响应分析 分别对轿车的四个悬挂处进行一定频段内的白噪声激励,根据国家标准选择参考点,利用振型叠加法进行车内噪声的分析评估,对数据结果进行分 析处理后,得到车内噪声等级及噪声的频率分布特性,以指导下一步优化改进的有效进行。 (3) 优化改进 针对峰值噪声,考虑对车身结构零件进行优化,确定优化问题的三要素,即优化目标函数、优化设计变量和优化约束条件。为有效降低噪声,以车 内噪声最小化为优化目标函数;考虑到轿车的轻量化设计,在不增加车身质量的基础上进行优化,将车身质量作为优化约束条件;优化设计变量的选取 对优化计算的有效性和可实施性非常重要,通过车身结构灵敏度分析定量得出各板件对车内噪声灵敏度的大小,确定了关键零件,将其作为优化设计变 量。将优化问题编为执行语句,利用Nastran解算器的优化功能进行优化改进,结果显示两个峰值噪声有了明显下降,达到了降低车内噪声,提高驾乘舒 适性的目的。
8.期刊论文 雷雨成.于学华.姚伟 轿车车身声灵敏度分析 -噪声与振动控制2004,24(5)
讨论对于无骨架式结构的车身声灵敏度和加振点传导性之间的理论关系,在论文加振试验时,理论功率公式预测车内声灵敏度和加振点传导性是有比 例关系的.激振试验结果表明:在车身声灵敏度和加振点传导性之间好的相关关系应验证理论功率公式.
9.学位论文 蓝晓理 轿车车身的低阶模态分析 2000
车身是轿车的关键总成.它的构造决定了整车的力学特性,对白车身(Body In White,BIW)进行低阶模态分析不仅能考察车身结构的整体刚度特性,并 且可以指导人们对车身结构进行优化以及进一步进行响应分析.该文利用有限元法将汴红旗CA7220的白车身进行了低阶模态分析.首先,全部采用四边形或 三角形的析单元离散了整个白车身,建立了供低阶模态分析的细化有限元模型.论述了从几何模型建立到求解全过程的主要问题,包括实际结构中零部件的 取舍,细致结构的忽略;并进行了板单元的细化程度、单元形状等因素对模型计算结果的影响程度、焊缝处理方法的讨论等.随后对这个细化的车身圾限元 模型进行了灵敏度分析.这里主要叙述了灵敏度概念的引入及其意义,ANSYS程序对有限元模型灵敏度分析 的实施,以及利用灵敏度分析的结果对结构进行 分析的注意事项.此外,介绍了结构固有振动特性的最优修改原理.
10.学位论文 肖强 车身静态刚度分析及动力特性优化研究 2009
车身是轿车的关键总成,是驾驶员的工作场所,也是容纳乘客和货物的场所。车身的构造决定了整车的造型,总布置及各种附件的安装和固定,其 力学特性更直接决定着整车的力学特性。轿车白车身的刚度特性反映了车身在整体上抵抗扭转和弯曲载荷的能力,反映了轿车车身的整体性能。因此 ,轿车白车身刚度分析有着十分重要的意义。进一步对白车身进行的低阶模态分析则不仅能从另一个角度考察其整体刚度特性,并且可以据此优化车身 结构,帮助整个车身总成的模态频率避开来自多方面的激振频率,以满足NVH方面的设计要求。本文借助试验与仿真手段相结合的方法,对所研究白车身 结构的静态刚度性能(弯曲刚度及扭转刚度)及模态性能进行了分析,通过试验值与计算值的比较,证明了建模方法及结果的正确性。在此基础上,定义 配饰车身这个概念,配饰车身即车身总成,在白车身基础上搭建配饰车身有限元模型,进行了配饰车身结构的模态分析。并结合整车NVH性能设计及模态 匹配方面的知识,指出了配饰车身模态分析的研究意义。同时本文引入模态灵敏度及模态相对灵敏度的概念,利用相关有限元软件对白车身结构进行灵 敏度分析,得到了对白车身第一个整体弹性体模态固有频率比较“敏感”的车身板件,通过这些板件厚度的调整,提高了白车身的第一个整体弹性体模 态固有频率,同时也就提高了配饰车身(即车身总成)的第一个整体弹性体模态固有频率,使得配饰车身(车身总成)的第一个整体弹性体模态固有频率达 到了20Hz这个目标值,达到了模态合理分布的目的。同时由于在灵敏度分析中考虑进了车身质量的因素,板厚增加所带来的车身质量的增加被控制在了 最小值。

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxsj200912017.aspx

下载时间:2010年6月21日



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