基于HyperMesh的商用车白车身模态深度研究

摘 要：

文章利用 HyperMesh 软件对某商用车白车身建立仿真模型，研究其在自由状态下的固有频率及振型，并进行了白车身模态试验验证，将试验数据与仿真分析结果进行对比，有限元分析的频率与试验结果频率除第一阶外，其他各阶整体主要模态的频率误差在 5%以内，说明有限元模型比较准确，计算结果可信，仿真结果能够很好地反映实际结构的振动特性，此白车身整体模态频率与二阶不平衡激励频率相差较远，引起整车共振可能性较小，预估整车舒适性及车身疲劳寿命满足要求。通过仿真手段评估结构特性，可节省开发试验费用，缩短开发周期，为设计提供理论依据。

关键词：商用车；白车身；HyperMesh；模态研究；有限元分析

某商用车白车身为承载式车身，以薄板构成 为主，具有质量轻、整体弯曲和扭转刚度好的特点，但需承受全部载荷，引起车内振动及异响的可能性较大[1]。因此，设计过程中需要对白车身模态特性进行模拟分析，以优化车身结构的振动特性，避免发生共振和异响，并观察振动频率及振型状态，确定是否进行结构优化以加强车身局部刚度，提升其稳定性和安全性[2]。

1 计算方法

白车身近似为多自由度线性无阻尼振动系统，其振动方程为[3]

式中，M 为白车身质量矩阵；K 为白车身刚度矩阵； X 和 X 分别为节点加速度、位移矢量。

由式（1）及微分方程理论推导式（2）：

通过对此方程进行计算，得到结构的固有频率和振型。

2 计算分析

2.1 计算模型

本文采用 HyperMesh 软件建立某商用车白车身三维数据的有限元分析模型，对整体性能影响很小的车身细微结构特征适当简化，然后通过焊点把各部件连接，白车身冲压件为薄壁金属件，用壳单元模拟，点焊采用 RBE2 单元模拟，焊道结构采用 Solid 实体单元模拟[4]，部件之间的连接关系模拟实际车身结构，在进行模态分析时，不考虑结构中焊点失效，认为焊点连接是可靠的。模型连接时先焊接顶盖、侧围、地板及前围，然后将其拼装成白车身[5]。本文建立的白车身模型共799 627 个壳单元，827 628 个节点，6 238 个焊点，连接好的白车身模态分析模型如图 1 所示。

2.2 计算结果

本文采用 HyperMesh 软件作前处理建模，MSC Nastran 作为求解器计算自由状态下白车身结构模态，对白车身的振动响应影响相对较大的激励频率多集中在低频域，输出前 10 阶范围内的固有频率和振型，各阶模态结果如表 1 所示，白车身第一阶模态、一阶扭转模态、一阶弯曲分析阵型如图 2—图 4 所示。其中，白车身第一阶模态为顶盖的横向摆动，为局部板件结构的振动振型。整车一阶扭转及整车一阶弯曲为白车身整体模态，需重点对比关注。

3 模态试验

3.1 试验方案

采用 LMS 数据采集记录仪进行白车身模态试验，采用多点激励多点响应的测试方案，支撑采用 4 套双腔空气弹簧支撑车身（满足弹簧支撑最高刚体频率小于第一阶弹性体频率的 1/3）、三点三方向激励（Z 向激励力 25 N 左右、横向激励力在 20 N）、 激振器通过柔性杆与车身固定连接，共布置 314 个测点[6]。激励点布置原则：选取结构上刚度较大位置，以避免局部变形引起输入力的改变；避开低阶主要模态节点的位置；选取能够将结构主要模态充分激励起来的位置[7]。测试样车试验传感器布置点见图 5。

对测试完成的数据进行互易性、相干性及一致性检查。试验互易性良好，在弹性体模态频率处，相干函数大于 0.85，原点响应前后数据一致性好，满足技术要求[8]。

3.2 试验结果

车身总成模态试验结果见表 2，试验典型模态振型，即第一阶模态、车身整体一阶扭转模态、车身整体一阶弯曲模态如图 6—图 8 所示。

3.3 结果对比

试验结果与仿真结果对比见表 3，结果表明，有限元分析的频率与除第一阶次外的试验结果频率吻合度较高，各阶整体主要模态的频率误差在5%以内，说明有限元模型比较准确，计算结果可信，仿真结果能够很好地反映实际结构的振动特性[9]。

汽车行驶中，国内一般公路上路面激励 1～3 Hz，车轮不平衡激励低于 11 Hz，传动轴激励高于 40 Hz，发动机怠速二阶不平衡激励 26.7±1.67 Hz[10]。

从以上分析可以看出，白车身主要的激励来自发动机的振动，研究汽车的动态特性，能有效地分析其舒适性和疲劳寿命。设计汽车时，车身的固有频率必须要有效地避开其激励频率，防止发生共振。汽车正常行驶时，发动机的激励频率远高于汽车的整体模态频率，不会引起共振问题。怠速条件下，白车身整体模态频率与二阶不平衡激励频率相差较远，容易引起整车共振可能性较小。

4  结论

利用有限元分析方法，得到白车身整体模态的固有频率及振型，并通过试验验证了有限元模型的准确性，此白车身整体模态频率与二阶不平衡激励频率相差较远，引起整车共振可能性较小，预估整车舒适性及车身疲劳寿命满足要求。与此同时，须进行整车振动传函及噪声传函等分析，考察车辆的动态响应特性。通过仿真手段评估结构特性，可节省开发试验费用、缩短开发周期，为设计提供理论依据。

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