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基于靈敏度分析的白車身右懸置安裝點動剛度優化設計

2021-02-28 00:01:46·  來源:焉知車身與制造工藝  作者:汽車NVH云講堂
 
論述動剛度與靈敏度分析的理論基礎,計算白車身的發動機懸置安裝點動剛度,以右懸置安裝區域的零件板厚為設計變量,建立發動機右懸置安裝點動剛度的靈敏度分析模型,通過OptiStruct優化零件板厚使動剛度計算結果達到設計的目標值。1 前言
論述動剛度與靈敏度分析的理論基礎,計算白車身的發動機懸置安裝點動剛度,以右懸置安裝區域的零件板厚為設計變量,建立發動機右懸置安裝點動剛度的靈敏度分析模型,通過OptiStruct優化零件板厚使動剛度計算結果達到設計的目標值。

1 前言
隨著汽車工業的快速發展,消費者對轎車舒適性的要求越來越高,轎車的NVH性能在消費者中越來越受重視。白車身關鍵點動剛度對車身的振動和疲勞破壞有重要的影響,如果該處動剛度不足會導致轎車發動機在一定頻率范圍內加速產生明顯的轟鳴音,嚴重影響消費者的舒適性體驗。振動源頭通過車身傳遞傳給乘客,所以通過優化設計傳遞路徑中的車身結構是提高NVH性能的重要方法。本文對某車型白車身懸置安裝點動剛度進行計算,發現懸置安裝點動剛度不滿足目標要求?;陟`敏度分析找出影響發動機懸置安裝點動剛度的薄弱區域進行加強,使最終安裝點處的動剛度達到目標要求。

2 靈敏度分析與動剛度的理論基礎
在結構設計目標達成與優化過程中有許多設計參數可供調整,通過靈敏度分析可以快速的識別各個設計參數對設計目標的影響大小,從而避免結構修改中的盲目性,提高設計效率。靈敏度分析對于結構的設計有重要的作用,基于靈敏度分析可以實現汽車結構的輕量化設計,靈敏度是一個廣泛的概念,從數學意義上講,若函數F(X)可導,則一階靈敏度為:
    動剛度的理論計算可用彈簧一阻尼模型進行闡述,其動力學計算公式如下所示:
  
  
    式中:m為系統質量;c為阻尼;k為靜剛度;x為系統位移;F為激勵力;w為激振頻率;Kd為系統的動剛度。
    以上為動剛度的理論計算方法, CAE仿真 軟件中輸出加速度隨頻率的響應曲線IPI,然后對公式進行如下轉換,動剛度的計算參照公式。
  
    本文結合靈敏度分析的理論與動剛度的計算方法,通過 仿真 軟件建立結構動剛度的靈敏度分析模型,找出最優的結構設計方案。
3 白車身懸置安裝點動剛度有限元模型
    如圖1所示為白車身的有限元網格模型,右懸置安裝點如圖2所示,設計要求右懸置安裝點動剛度X向15000N/mm,Y向5000N/mm,Z向15000N/mm。仿真計算時白車身邊界條件為無約束自由狀態,分別施加X、Y、Z三個方向的激勵,右懸置安裝點加速度隨頻率響應如圖3所示,根據公式(6)計算動剛度值,計算結果如表1所示,其在Y、Z向的動剛度沒有達到目標要求,尤其Z向離目標差距很大。
  
圖1 白車身有限元模型示意圖
  
圖2 右懸置安裝點結構示意圖
  
圖3 右懸置安裝點加速度隨頻率響應曲線
表1 右懸置安裝點動剛度(N/mm)計算結果
4 靈敏度分析與優化
由于右懸置安裝點Z向離目標要求差距較大,針對Z向動剛度進行靈敏度分析,選取右懸置安裝范圍的25個零件板厚作為設計變量如圖4所示,考慮通過增加最少的質量成本來達成動剛度的目標要求,以右懸置安裝點Z向動剛度為約束條件,以白車身的質量最小化作為目標,優化仿真的操作流程如圖5所示,根據公式將對動剛度的約束轉換為對加速度響應的約束,如圖6所示。OptiStruct優化計算結果如圖7所示,各個零件板厚對動剛度和質量的靈敏度如圖8、9所示,根據靈敏度計算結果,加強或增厚相對動剛度靈敏度高,即質量小且對動剛度敏感的板件,減薄相對動剛度靈敏度低,即質量大且對動剛度不敏感的板件,從而得出最佳優化方案。
  
圖4 靈敏度分析的零件示意圖
  
圖5 仿真分析流程圖
  
圖6 建立動剛度相關的加速度響應與約束示意圖
  
圖7 優化后零件板厚云圖
圖8 動剛度靈敏度示意圖
  
圖9 質量靈敏度示意圖
結合仿真優化的計算結果同時考慮到汽車行業常用的板材規格與沖壓工藝要求,將優化后的板厚結果進行調整,如下表2所示。
表2 零件板厚優化結果
  
表3 右懸置安裝點動剛度(N/mm)優化計算結果
   
圖10 優化后安裝點加速度隨頻率響應曲線
通過優化仿真調整板厚后的右懸置安裝點動剛度計算結果如表3所示,三個方向X、Y、Z三個方向的動剛度均滿足要求,在白車身增重3.0%的情況下,動剛度提升了接近50%,實現了NVH性能提升的目的。
5 結論
針對白車身右懸置安裝點動剛度的目標要求,以安裝區域的零部件板厚為設計變量,建立懸置安裝點動剛度的靈敏度分析模型,計算出各個零部件對動剛度的靈敏度,根據靈敏度優化零件板厚,最終使得右懸置在X、Y、Z三個方向的動剛度均滿足要求。該方法對白車身其余安裝點動剛度的優化提升具有指導意義。
 
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