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[摘要]動剛度指標是整車NVH性能評價體系中的重要考核內(nèi)容，基于有限元分析方法,
利用Altair
RADIOSS軟件的模態(tài)頻率響應(yīng)方法對底盤零件關(guān)鍵點的動態(tài)特性進行分析，
得到相關(guān)零件的動剛度曲線。通過對關(guān)鍵點進行動剛度分析,可以為車輛NVH性能改進提供理論參考，縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)成本，對于提高車輛NVH性能設(shè)計水平具有重要的意義。關(guān)鍵詞：動剛度，模態(tài)，頻率響應(yīng)隨著消費者收入水平的提高，對汽車產(chǎn)品的舒適性需求越來越高,從而導(dǎo)致了在整車開發(fā)中對影響舒適性指標的振動噪聲提出了更高的設(shè)計要求。在汽車行駛過程中,發(fā)動機和路面的激勵通過發(fā)動機懸置與車架上的連接點、車身、座椅以及其它部件,最終影響乘員的NVH主觀感覺。懸置支架與車架連接位置的設(shè)計好壞對整車的噪聲、振動(Noise,
Vibration Harshness,簡稱NVH)性能中有著重要影響。我公司某一新開發(fā)車型，在怠速工況下，車內(nèi)噪聲大，懸置隔振率未達到目標要求見表。針對這一問題，文中展開了理論研究，先對原有懸置與車架連接點動剛度進行仿真分析找出存在的問題，然后提出改進方案，改進方案經(jīng)分析已經(jīng)滿足設(shè)計要求，最后LMS系統(tǒng)測試了改進后懸置支架的動剛度以及整車的NVH性能表現(xiàn)，通過對計算和實測的數(shù)據(jù)進行分析，所做的改進達到了良好的效果。 
頻率響應(yīng)分析可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析,預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性,驗證設(shè)計能否克服共振、疲勞及其受迫振動引起的結(jié)構(gòu)破壞，是計算線形結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)振動激勵下的響應(yīng)的方法。對于線彈結(jié)構(gòu),一般采用粘性阻尼或結(jié)構(gòu)阻尼振動系統(tǒng)，阻尼的作用主要是轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的能量，結(jié)構(gòu)阻尼主要是由于不完全彈性的結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)摩擦和在結(jié)構(gòu)的固定連接處，接觸面之間的摩擦力引起的。根據(jù)汽車的結(jié)構(gòu)形式,對汽車車身采用結(jié)構(gòu)阻尼系統(tǒng)。在車身仿真分析中,車身的局部剛度常采用速度導(dǎo)納進行評價。對于速度頻率響應(yīng)分析,常把載荷輸入點與響應(yīng)點取同一點,稱為Driving
Point Mobility,簡稱為Point
Mobility。與Mobility密切相關(guān)的一個概念是動剛度，表征了結(jié)構(gòu)在動載荷作用下抵抗變形的能力，動剛度不足將對車身疲勞壽命和整車乘坐舒適性產(chǎn)生非常不利的影響。一般情況下，在能夠滿足工程要求的基礎(chǔ)上，懸置系統(tǒng)中隔振元件的Mobility設(shè)計的越高越好，而車身、車架等隔振件的連接件的Mobility設(shè)計的越小越好。在分析動剛度時，一般使用模態(tài)頻率響應(yīng)分析法，模態(tài)頻率響應(yīng)分析的基本流程是先進行結(jié)構(gòu)的模態(tài)計算，然后調(diào)用模態(tài)計算的結(jié)果，考察在設(shè)定的所要分析的激振頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)。模態(tài)頻率響應(yīng)法計算響應(yīng)就是利用結(jié)構(gòu)的模態(tài)變形來減少方程數(shù)量及解耦運動方程的。通過模態(tài)頻率響應(yīng)分析可以求出結(jié)構(gòu)在多種頻率下的位移、速度、加速度響應(yīng)，得出響應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線，進而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析。車身和底盤件相連接的關(guān)鍵部位，需要其在汽車運行時能夠承受一定的載荷，因此，為了能夠滿足車輛運行的需求，需要這些部位的局部動剛度滿足一定的目標值要求，因此需要在自由模態(tài)和靜剛度分析基礎(chǔ)上獲取底盤零部件安裝點在穩(wěn)態(tài)振動激勵下的響應(yīng)。底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計中,一些關(guān)鍵點,包括發(fā)動機懸置點、減震器安裝點、拖曳臂安裝點及副車架安裝點等是向車身傳遞振動的主要來源,對車身的振動和疲勞破壞有重要的影響作用,因此分析關(guān)鍵點的動態(tài)特性具有重要的意義。基于有限元分析方法,計算出底盤安裝點在單位簡諧載荷作用下的響應(yīng)。利用Altair
HyperMesh軟件建立N400車架有限元模型，均采用殼單元進行網(wǎng)格劃分,模型如圖1所示。鋼的材料參數(shù)：彈性模量：210Gpa，材料密度：7.85e-9ton/mm3，泊松比：0.3，各子零件的鈑金厚度在此不再詳細列出。為了獲得發(fā)動機懸置安裝點的速度響應(yīng)函數(shù),首先建立底盤結(jié)構(gòu)的有限元模型,并在懸置安裝點施加載荷,然后利用RADIOSS軟件的動力分析模塊求解分析。采用Altair
RADIOSS軟件的模態(tài)頻率響應(yīng)方法計算該安裝點的動態(tài)剛度。用于分析的車架模型無約束，為自由狀態(tài),
由于對車架不施加任何約束,故該動態(tài)剛度能反映整個車架的局部固有特性,本文采用3%的結(jié)構(gòu)阻尼。將每個連接點的每個方向（X、Y、Z）的激勵載荷定義為一個載荷工況，載荷為1N的集中力，頻率范圍為所關(guān)注的中低頻率，同時將激勵點定義為響應(yīng)點，且響應(yīng)自由度與激勵自由度相同，例如Z向單位激勵的輸出為Z向速度響應(yīng)。以下為研究車型的發(fā)動機前左、右懸置點的動剛度分析過程，得到該點的模態(tài)頻率速度響應(yīng)，圖2是發(fā)動機前懸置安裝點的Z方向上的Point
mobility曲線,從上圖2中可以看出,
左懸置動剛度在120Hz-230Hz處超出目標線，在191Hz處峰值為408N/mm；右懸置動剛度220Hz以內(nèi)超出目標線，其中在183Hz處峰值為416N/mm（
NVH目標為XYZ三個方向在200HZ以內(nèi)動剛度大于1000N/mm.），而實測的結(jié)果左右懸置支架模態(tài)分別為166Hz及172Hz，與仿真分析結(jié)果非常接近，這應(yīng)該是造成表所示整車內(nèi)噪超標的主要原因。圖2
原方案左、右懸置支承架動剛度分析結(jié)果為了提高左右懸置Z向的動剛度，在對多個方案進行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合車身制造工藝的考慮，最終采用的方案如圖3所示。其中車身側(cè)懸置安裝支架縱梁外側(cè)增加一個3mm加強板，取消車架內(nèi)側(cè)原加強版同時支架安裝孔往車身外側(cè)移80mm，左右支承架Y向相應(yīng)加長80mm。最終車身增重1.2kg,左右支承架增重0.2kg。 按照2.2的分析方法，對新方案進行動剛度分析，發(fā)現(xiàn)新方案的Z向動剛度以及滿足設(shè)計要求，具體見圖4，從圖中可看出發(fā)動機懸置左右支承架動剛度較原方案有較大提升，發(fā)動機左支承架Z向動剛度接近1000N/mm目標線要求且峰值頻率達到236HZ；發(fā)動機右支承架Z向動剛度值雖然在180Hz至225Hz范圍超出目標要求，但峰值頻率高于200Hz達到207HZ。該方案結(jié)果NVH可接受。按照2.3的改進方案制作了樣件，裝車進行NVH測試，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)噪聲、振動及懸置隔振率提升明顯，達到了預(yù)期要求。噪聲具體表現(xiàn)為：3檔全油門加速，車內(nèi)駕駛員右耳噪在1000~5000rpm范圍內(nèi)，4階@2400rpm峰值完全消除，2階3200~4000rpm峰值亦改善較大（見圖5）；中排噪聲4階@2400rpm峰值有所降低，2階3200~4500rpm轉(zhuǎn)速段均改善較大（圖6）；后排噪聲對比，后排無4階@2400rpm左右峰值，加強后2階3900rpm峰值有所改善。振動方面的改善也非常明顯：3檔全油門加速，1000~5000rpm駕駛員座椅振動對比，4階2500rpm座椅峰值降低5-10dB，2階振動也有所降低（見圖7）；中排座椅振動對比，4階振動各峰值均有所降低，總振動加速度級降低1-5dB（圖8）。懸置的振動改善為：3檔全油門加速，1000~5000rpm左、右懸置Z向車身側(cè)支架振動加速度比加強前降低2-5dB，4階@2400rpm峰值已基本消除，2階振動也有較大降低（圖9）。3檔全油門加速，1000~5000rpm左懸置隔振率與原方案對比，提升3-10dB，已可滿足20dB隔振要求（圖10）。右懸置隔振率與加強前對比，效果不如左懸置大，X向略有降低，但可滿足要求，Y\Z向有所提升。2.5.4 改進前后懸置支架模態(tài)測試分析懸置支架優(yōu)化后測試結(jié)果達200Hz以上，與原方案相比有了較大提高，滿足了設(shè)計要求，而且與分析結(jié)果較為吻合（見圖11）圖11
改進前后支架模態(tài)測試結(jié)果通過上述分析,可以得到動剛度分析可以較早地預(yù)測結(jié)構(gòu)動態(tài)特性設(shè)計的不足，可以在開發(fā)的前期階段,重點對結(jié)構(gòu)進行修改,減少了后期階段設(shè)計難度。通過對關(guān)鍵點進行動剛度分析,為關(guān)鍵點NVH調(diào)試提供了重要的理論依據(jù),同時可以縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)成本。[1]
王學(xué)軍，張覺慧，陳曉宇.轎車車身動剛度優(yōu)化[J].上海汽車，2003.1：20-22[2] 殷梅
王成龍，動剛度分析在底盤結(jié)構(gòu)件設(shè)計中的應(yīng)用，Altair
2010 HyperWorks 技術(shù)大會論文集
2010[3] 甘劍飛
徐有忠等，基于MSC．Nast
r an的汽車動力總成懸置支架模態(tài)分析，第五屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文集[4]徐賢發(fā)
王希誠等動剛度分析在汽車車身開發(fā)中的應(yīng)用研究，Altair
2009 HyperWorks 技術(shù)大會論文集[5]廖毅
呂兆平，基于懸置支架動剛度分析的整車NVH性能分析及改進
企業(yè)科技與發(fā)展 2012.5
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