基於模態分析的汽車後地板結構設計優化分析論文

車身結構的振動模態特性是衡量車身品質，反映汽車在使用過程中車身振動特性的重要指標。低階模態可以反映車身結構的剛度特性，對判斷車輛的疲勞耐久性有很好的指導意義，所以提高車身結構低階模態參數非常有必要。

本文以車身後地板結構為例，在模態分析的基礎上結合實際，基於理論分析前提，對車身結構局部優化進行探討。結合車身性能和重量設計指標的優化方法，應用穩健性設計方法，並通過有限元模擬計算，平衡重量、成本因素，從產品的選型、材料、結構優化，得出提高汽車局部模態的方法。對車身結構優化有一定的指導意義。

　　1模態分析的定義和原理

車身結構是一個具有低阻尼多自由度系統，模態試驗中，頻響函數估計、模態驗證等環節，都建立在多自由度系統復模態分析理論基礎之上。多自由度系統具有與自由度數相等數量的位移形狀，這些位移形狀稱為系統的固有振型，每一振型對應有唯一的固有頻率。系統的振動特性可以用固有頻率和固有振型來表示。無阻尼自由振動系統的特性分析稱為模態分析。 對於剛度差的大型覆蓋件，容易在激振源的激勵下引起板殼的強迫振動，當激振頻率接近車身內外板的固有頻率時將發生板殼共振。例如汽車後地板，共振頻率在 50-60 H2左右，共振時發生敲鼓式的聲音。

改變材料料厚，可以改變固有振動頻率;如果料厚不變，則固有振動頻率幾乎與板邊尺寸的平方成反比。因此，可以通過改變板邊尺寸的辦法來避免共振。最直接有效的是在板上衝壓筋。因為振動波總是朝剛性最差的方向前進，合理的佈置筋可以切斷振動波。另外一種辦法是增加加強件，如果不考慮成本和重量因素，此方法非常有效。增加加強件可以有效提高零件剛度。以上兩種方法都可以抑制振動，避免共振。

無阻尼線性系統的一般運動可以表達為各階固有振型的線性組合。低階振型對結構的動力影響大於高階振型，車身低階模態頻率大致在20-50 H2。由汽車輪胎傳遞到車身的來自路面的激勵及發動機在其懸置上的振動頻率等，與車身低階模態頻率很接近。因此，車身設計要非常注重結構低階模態頻率的'設計，注意提高車身整體的剛度和部件的剛度，通過設計優化，使車身子系統的模態頻率避開激勵頻率，以防止共振。

　　2車身結構優化實例

2.1後地板周邊結構介紹

車身內部有接口和後地板前段搭接，後面和尾端板連接以及左右輪罩相連，外部由備胎和隨車工具組成。

後地板大而薄，非常容易出現局部模態。而局部模態不僅會引起共振，而且在耐久工況後地板會出現開裂的現象。當樣車經過物理驗證發現開裂之後，由於受現有結構和模具的限制，需要花費大量的時間和成本來解決問題。如果前期對此區域進行結構優化，將模態提升至30 Hz以上，避免共振，可以有效降低開裂概率。

2. 2優化方法

汽車後地板結構的設計，可採用穩健性設計方法。在項目前期開發階段，結合競爭車型的結構和新制造技術可行性的研究，選擇合適的方案。經過幾輪普氏分析，結合項目實際佈置情況以鐵製衝壓工藝為基礎，以局部模態為約束條件，對後地板進行設計優化。

由模態分析原理和影響因素，以材料料厚、加強筋的形式和深度以及後地板和五號樑的加強件為控制因子，以料厚公差為噪聲因子，建立模態/重量的輸出正交試驗列表。

以後地板的局部模態和重量為設計目標，按正交列表給出的因子組合情況進行CAE模擬計算分析。

　　3結果分析

為了明確各變量對後地板模態和重量的影響程度，進行方差分析，計算設計變量不同水平的各種組合在噪聲因子影響下的信噪比和輸出平均值，輸出點圖，找到最優組合。信噪比(SlN)是測量需要的輸出響應和非需要的輸出響應之比，它是穩健性的相對衡量，其計算公式如下4結論

(1)根據模態分析定義和原理以及薄板振動理論，找出影響大覆蓋件局部低階模態的主要因素，從而有針對性地進行結構優化。

(2)結構設計優化轉化為性能指標，並結合重量和成本因素定義出合理的目標函數，以實際製造為約束條件，得出優化設計的思路。

(3)以後地板機構為例，應用穩健性設計方法，應用CAE模擬分析手段，進行結果分析和驗證。

上述車身後地板的優化設計理論和方法，為車身結構的設計優化提供了一種思路，對車身結構的局部模態優化有一定的指導意義。