白车身质量块安装点动刚度分析与优化) ) ) 高云凯 汪 翼 林 典等
白车身质量块安装点动刚度分析与优化
高云凯 汪 翼 林 典 余海燕
同济大学, 上海, 201804
摘要:建立了某A 级车白车身的有限元模型, 对白车身的各质量块安装点分别进行动刚度分析, 得到质量块安装点的源点加速度响应(IPI) 曲线, 并且判断出动刚度相对较小的频率段。通过对IPI 曲线峰值产生原因进行分析, 分别选择尺寸优化和拓扑优化的方法对质量块安装点的动刚度进行优化。结果表明, 采用尺寸优化和拓扑优化的方法进行优化设计可提高质量块安装点的动刚度。
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:U 463. 82 文章编号:1004) 132X(2010) 06) 0721) 04
Dynamic Stiffness Analysis and Optimization for Body -in -white Mounting Points
Gao Yunkai Wang Yi Lin Dian Yu H aiyan
Tongji University, Shanghai, 201804
Abstr act :A FEM model of the BIW(body -in-white) of a class vehicle was constructed. The curves of IPI of the mounting points and the ranges of fr equencies in which the mounting points were in the situation of low dynamic stiffness were obtained by analyzing the dynamic stiffness of the mounting points with the method of IPI. T he size optimization and topology optimization were introduced to improve the dynamic stiffness of the mounting points. The results demonstrate that the introduction to these optimization methods makes the dynamic stiffness improved.
Key words :mounting point; dynamic stiffness; input point inertance (IPI ) ; size optimization; topology optimization
0 引言
汽车的N VH 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。
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。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。在常用的拓扑优化方法中, 变密度法是人为地建立材料密
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)
[4]
[3]
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[5O 6]。
笔者运用H ypermesh 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(input point inertance, IPI) 分析。
1 质量块安装点动刚度评价方法
IPI 分析是评价车身质量块安装点NVH 性能的重要方法, 用于考察车身与发动机、悬架连接点局部动刚度这一重要指标, IPI 的计算公式为
I PI =
a X 2x X 2(2P f ) 2
===F F K a K a
式中, F 为质量块安装点所受载荷; K a 为质量块安装点动刚度; a 为加速度; X 为圆频率。
2 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
#721#
中得到清晰的结构, 基本的网格尺寸取为10mm @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。
图1 白车身有限元模型
3 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。
图2 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。
图3 副车架前支架安装点I PI
曲线
#722#
中国机械工程第21卷第6期2010年3月下半月
从图3、图5和图6可以看出, 在30H z 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。
从图4所示的分析结果可以看出, 在50H z
左右副车架后支架安装点的Z 方向IPI 曲线出现了较大峰值, 另外, 图7所示的分析结果显示, 在
白车身质量块安装点动刚度分析与优化) ) ) 高云凯 汪 翼 林 典等
100H z 左右频率段上发动机安装点的Y 方向的IPI 曲线出现了较大的峰值。对比白车身模态分析结果, 发现这两处IPI 曲线的峰值分别是由白车身整体二阶弯曲模态与前舱部分水箱框架和前风窗下横梁的局部模态引起的。
4 尺寸优化
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30H z 左右Z 方向IPI 曲线的峰值。
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。
图8 厚度尺寸作为尺寸优化变量的9组板件
表1 尺寸优化和圆整结果
mm
优化变量初始值优化值圆整值前铰链立柱内板1. 01. 01. 0上边梁内板1. 01. 0641. 0后窗台板0. 650. 8310. 8后风窗下横梁上板
0. 651. 4631. 5后围板0. 650. 8640. 8上边梁外侧加强板
1. 21. 3021. 2后立柱内板0. 651. 4121. 4后窗台侧板0. 650. 9741. 0前风窗下横梁上板
0. 65
0. 883
0. 8
从图9~图11可以看出:修改后三个质量块安装点在30H z 左右频段内的Z 方向IPI 曲线峰
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4135kg, 并没有超过5kg(要求质量增加不超过5kg) 。
另外, 如图12所示, 在100H z 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。
#723#
5 拓扑优化
在50H z 左右副车架后支架安装点的Z 方向IPI 曲线出现较大峰值, 这是由白车身整体二阶弯曲模态引起的, 可以通过局部加强个别部件来降低相应质量块安装点在此频段内的响应。采用拓扑优化的方法找出关键部件上的材料最优分布, 根据拓扑优化的结果来修改设计, 最终达到提高相应质量块安装点动刚度的目的。
对白车身主要板件的板厚进行灵敏度分析, 得到对此频段内副车架后支架安装点在Z 方向上IPI 曲线峰值影响显著的部件, 将其作为拓扑优化的优化空间。最终作为优化空间的部分有:中立柱外侧加强板、中立柱内板、门槛梁外侧加强板和门槛梁内板(图13) 。以副车架后支架安装点的Z 方向加速度响应最小为优化目标, 并且将
优化空间的体积分数作为约束函数。
图13 作为拓扑优化空间的板件
根据拓扑优化结果对原模型进行修改。在对应的位置(如在中立柱外侧加强板下部、在拓扑结果中材料聚集的地方) 设置新的加强筋或适当延
长加强筋(图14)
。
图14 中立柱外侧加强板下端拓扑优化结果
修改后重新进行IPI 分析。图15所示的分析结果表明:副车架后支架安装点的IPI 曲线在
50H z 左右Z 方向IPI 曲线出现的峰值明显减小, 其他频段内的IPI 曲线几乎没有变化。由于模型修改是采取增加或延长加强筋等方式, 故质量几
乎没有增加。
#724#
中国机械工程第21卷第6期2010年3月下半月
图15 修改前后副车架后支架安装点Z 方向IP I 曲线
6 结论
(1) 运用IPI 分析的方法可以评价白车身质量块安装点的动刚度, 为提高质量块安装点动刚度的修改设计提供参考。
(2) 由白车身较低频率的整体模态产生的IPI 峰值, 可以通过尺寸优化的方法对其进行优化, 达到提高质量块安装点动刚度的目的。
(3) 由白车身较高频率的整体模态或局部模态产生的IPI 峰值, 可以通过拓扑优化的方法寻找白车身板件局部修改方案, 并且不需要付出质量增加的代价。
参考文献:
[1] 王志亮, 刘波, 桑建兵, 等. 动刚度分析在汽车车身
结构设计中的应用[J]. 机械设计与制造, 2008(2) :30O 31.
[2] Kim K, Choi I. Design Optimization Analysis of Body
Attachment for NVH Performance Improvements[J].SAE Paper, 2003O 01O 1604.
[3] 高云凯. 汽车车身结构分析[M].北京:北京理工大
学出版社, 2006.
[4] 范文杰, 范子杰, 桂良进, 等. 多工况客车车架结构
多刚度拓扑优化设计研究[J].汽车工程, 2008, 30(6) :531O 533.
[5] 姚成. 专用汽车结构拓扑优化设计及强度分析[D].
合肥:合肥工业大学, 2002.
[6] 王建. 多工况应力约束下连续体结构拓扑优化设计
研究[D].大连:大连理工大学, 1997.
(编辑 袁兴玲)
作者简介:高云凯, 男, 1963年生。同济大学汽车学院教授、博士研究生导师。主要研究方向为车身结构设计与分析。出版专著1部, 发表论文20余篇。汪 翼, 男, 1986年生。同济大学汽车学院硕士研究生。林 典, 男, 1985年生。同济大学汽车学院硕士研究生。余海燕, 女, 1976年生。同济大学汽车学院讲师。
白车身质量块安装点动刚度分析与优化) ) ) 高云凯 汪 翼 林 典等
白车身质量块安装点动刚度分析与优化
高云凯 汪 翼 林 典 余海燕
同济大学, 上海, 201804
摘要:建立了某A 级车白车身的有限元模型, 对白车身的各质量块安装点分别进行动刚度分析, 得到质量块安装点的源点加速度响应(IPI) 曲线, 并且判断出动刚度相对较小的频率段。通过对IPI 曲线峰值产生原因进行分析, 分别选择尺寸优化和拓扑优化的方法对质量块安装点的动刚度进行优化。结果表明, 采用尺寸优化和拓扑优化的方法进行优化设计可提高质量块安装点的动刚度。
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:U 463. 82 文章编号:1004) 132X(2010) 06) 0721) 04
Dynamic Stiffness Analysis and Optimization for Body -in -white Mounting Points
Gao Yunkai Wang Yi Lin Dian Yu H aiyan
Tongji University, Shanghai, 201804
Abstr act :A FEM model of the BIW(body -in-white) of a class vehicle was constructed. The curves of IPI of the mounting points and the ranges of fr equencies in which the mounting points were in the situation of low dynamic stiffness were obtained by analyzing the dynamic stiffness of the mounting points with the method of IPI. T he size optimization and topology optimization were introduced to improve the dynamic stiffness of the mounting points. The results demonstrate that the introduction to these optimization methods makes the dynamic stiffness improved.
Key words :mounting point; dynamic stiffness; input point inertance (IPI ) ; size optimization; topology optimization
0 引言
汽车的N VH 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。
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。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。在常用的拓扑优化方法中, 变密度法是人为地建立材料密
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)
[4]
[3]
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[5O 6]。
笔者运用H ypermesh 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(input point inertance, IPI) 分析。
1 质量块安装点动刚度评价方法
IPI 分析是评价车身质量块安装点NVH 性能的重要方法, 用于考察车身与发动机、悬架连接点局部动刚度这一重要指标, IPI 的计算公式为
I PI =
a X 2x X 2(2P f ) 2
===F F K a K a
式中, F 为质量块安装点所受载荷; K a 为质量块安装点动刚度; a 为加速度; X 为圆频率。
2 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
#721#
中得到清晰的结构, 基本的网格尺寸取为10mm @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。
图1 白车身有限元模型
3 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。
图2 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。
图3 副车架前支架安装点I PI
曲线
#722#
中国机械工程第21卷第6期2010年3月下半月
从图3、图5和图6可以看出, 在30H z 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。
从图4所示的分析结果可以看出, 在50H z
左右副车架后支架安装点的Z 方向IPI 曲线出现了较大峰值, 另外, 图7所示的分析结果显示, 在
白车身质量块安装点动刚度分析与优化) ) ) 高云凯 汪 翼 林 典等
100H z 左右频率段上发动机安装点的Y 方向的IPI 曲线出现了较大的峰值。对比白车身模态分析结果, 发现这两处IPI 曲线的峰值分别是由白车身整体二阶弯曲模态与前舱部分水箱框架和前风窗下横梁的局部模态引起的。
4 尺寸优化
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30H z 左右Z 方向IPI 曲线的峰值。
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。
图8 厚度尺寸作为尺寸优化变量的9组板件
表1 尺寸优化和圆整结果
mm
优化变量初始值优化值圆整值前铰链立柱内板1. 01. 01. 0上边梁内板1. 01. 0641. 0后窗台板0. 650. 8310. 8后风窗下横梁上板
0. 651. 4631. 5后围板0. 650. 8640. 8上边梁外侧加强板
1. 21. 3021. 2后立柱内板0. 651. 4121. 4后窗台侧板0. 650. 9741. 0前风窗下横梁上板
0. 65
0. 883
0. 8
从图9~图11可以看出:修改后三个质量块安装点在30H z 左右频段内的Z 方向IPI 曲线峰
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4135kg, 并没有超过5kg(要求质量增加不超过5kg) 。
另外, 如图12所示, 在100H z 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。
#723#
5 拓扑优化
在50H z 左右副车架后支架安装点的Z 方向IPI 曲线出现较大峰值, 这是由白车身整体二阶弯曲模态引起的, 可以通过局部加强个别部件来降低相应质量块安装点在此频段内的响应。采用拓扑优化的方法找出关键部件上的材料最优分布, 根据拓扑优化的结果来修改设计, 最终达到提高相应质量块安装点动刚度的目的。
对白车身主要板件的板厚进行灵敏度分析, 得到对此频段内副车架后支架安装点在Z 方向上IPI 曲线峰值影响显著的部件, 将其作为拓扑优化的优化空间。最终作为优化空间的部分有:中立柱外侧加强板、中立柱内板、门槛梁外侧加强板和门槛梁内板(图13) 。以副车架后支架安装点的Z 方向加速度响应最小为优化目标, 并且将
优化空间的体积分数作为约束函数。
图13 作为拓扑优化空间的板件
根据拓扑优化结果对原模型进行修改。在对应的位置(如在中立柱外侧加强板下部、在拓扑结果中材料聚集的地方) 设置新的加强筋或适当延
长加强筋(图14)
。
图14 中立柱外侧加强板下端拓扑优化结果
修改后重新进行IPI 分析。图15所示的分析结果表明:副车架后支架安装点的IPI 曲线在
50H z 左右Z 方向IPI 曲线出现的峰值明显减小, 其他频段内的IPI 曲线几乎没有变化。由于模型修改是采取增加或延长加强筋等方式, 故质量几
乎没有增加。
#724#
中国机械工程第21卷第6期2010年3月下半月
图15 修改前后副车架后支架安装点Z 方向IP I 曲线
6 结论
(1) 运用IPI 分析的方法可以评价白车身质量块安装点的动刚度, 为提高质量块安装点动刚度的修改设计提供参考。
(2) 由白车身较低频率的整体模态产生的IPI 峰值, 可以通过尺寸优化的方法对其进行优化, 达到提高质量块安装点动刚度的目的。
(3) 由白车身较高频率的整体模态或局部模态产生的IPI 峰值, 可以通过拓扑优化的方法寻找白车身板件局部修改方案, 并且不需要付出质量增加的代价。
参考文献:
[1] 王志亮, 刘波, 桑建兵, 等. 动刚度分析在汽车车身
结构设计中的应用[J]. 机械设计与制造, 2008(2) :30O 31.
[2] Kim K, Choi I. Design Optimization Analysis of Body
Attachment for NVH Performance Improvements[J].SAE Paper, 2003O 01O 1604.
[3] 高云凯. 汽车车身结构分析[M].北京:北京理工大
学出版社, 2006.
[4] 范文杰, 范子杰, 桂良进, 等. 多工况客车车架结构
多刚度拓扑优化设计研究[J].汽车工程, 2008, 30(6) :531O 533.
[5] 姚成. 专用汽车结构拓扑优化设计及强度分析[D].
合肥:合肥工业大学, 2002.
[6] 王建. 多工况应力约束下连续体结构拓扑优化设计
研究[D].大连:大连理工大学, 1997.
(编辑 袁兴玲)
作者简介:高云凯, 男, 1963年生。同济大学汽车学院教授、博士研究生导师。主要研究方向为车身结构设计与分析。出版专著1部, 发表论文20余篇。汪 翼, 男, 1986年生。同济大学汽车学院硕士研究生。林 典, 男, 1985年生。同济大学汽车学院硕士研究生。余海燕, 女, 1976年生。同济大学汽车学院讲师。