基于刚度及模态分析的某微型车车身轻量化设计

基于刚度及模态分析的某微型车车身轻量化设计摘?要通过软件建立起某微型车车身的有限元分析模型，并实施刚度及模态分析。

通过分析轻量化前与后的计算成果，对比可得知，轻量化后的车身刚度和模态在接受的预定值内，是可以满足减轻车身质量的要求。

通过试验验证，轻量化的后有限元分析结论与实车的试验结果有较高的一致性。

关键词刚度；模型分析；微型车；轻量化
中图分类号 u463 文献标识码 a 文章编号
1673-9671-(2012)052-0230-01
经研究分析，汽车燃油的耗损量越大，车身的总质量就越重，反之，汽车燃油的耗损量越小，车身的总质量就越轻。

随着人们的经济水平提高，汽车越来越多，如何降低排放量、节约资源是当前研究的热门，所以这需要到轻量化的车身设计。

当前，市面上大部分轿车的车身结构一般是采用的全承载式车身，因承载式的车身担负了全车所有的扭转和弯曲，所以自身的刚度特征具有十分重要的意义。

在车身轻量化的变化中，假如发现车身的刚度有不同程度的降低，必会引起车身门窗、发动机舱口等形态改变，引发玻璃破碎、车门关闭困难等情况的出现。

这时，低刚度出现伴有低频率，导致结构共振、噪声，会影响到人乘坐的舒适性，不同程度的影响整车的能性。

因此，达到车身的轻量化需满足车身的刚度与模态。

文章是组建有关板壳单元为基本单元的车身有限元分析模型，运用有限
元的软件分析某微型车车身的前、后轻量化刚度及模态变化，可以更好地为轻量化作指导。

1 有关刚度与模态的基础理论
1.1 刚度扭转的理论分析
如果车身受对称垂直的重量时，结构处会出现扭转的情况，致使车身扭曲变形，轴之间的角发生扭转。

说明，结构的变形力度是与所受力、结构扭转及刚度相关。

用公式解释为：车身的结构扭转刚度等于扭矩与轴之间的相对扭转角的比。

1.2 刚度弯曲的理论分析
从车身的弯曲刚度能够得出：产生垂直力下的车身是纵向扩展力量，表明出车身的弯曲程度，分析车身纵梁的铅垂直力作用的挠度大小，可以看作弯曲的刚度等于车身弯曲的重量与纵向的弯曲最大值之比。

1.3 关于模态的理论分析
在车的快速行驶中，自身的结构由各种振源会发生震动，像发动机运转、路面崎岖引发的震动等。

如类似这样的震动源可以激励使车身整体或是部分有一定的频率，会导致共振的出现，引发产生强烈震动或噪声问题，严重会致使结构损坏。

所以，为了从汽车的安全性、舒适性、可靠性，必须在对车身的震动上有效地改善，需对车自身的震动特性加以分析计算，利用结构的设计改变各种振源率。

依据模态的理论可得出：刚度矩阵与第一阶段的模态的振型向
量的和等于第一阶段模态的固有频率与质量矩阵总和。

2 关于车身有限元模型的轻量化与组建的描述
2.1 关于车身轻量化的描述
在车身的设计中，想要减轻车身的质量，可以从：钢材的结构、车身的结构设计，新材料的运用等。

结合本次研究是成型与焊接装备的通用性，在稳定车身不变、保证安全性的情况下，针对小零件进行微变化，来满足轻量化的要求。

本文是通过研究的车身轻量化的改变部件的重量。

现在，我国的轻量化形式是外覆盖部件厚度降低，前、后盖外板材料性能降低，依据公司的内部要求，轻量化的刚度扭转钢度、弯曲变化不高于5%，开口件的对角变形后尺寸变化率不高于0.15%。

一阶扭转、弯曲模态变化率不高于3%。

2.2 车身的有限元模型的组建
某微型客车车身一般由：车身地板、车架、侧围、顶盖、发动机舱、发动机罩、翼子扳、仪表台骨架等共11个总成，不少于250个零群件组建而成。

而每一个cad模型所进行的有限元网络区分，统一的网络检查。

一般的车身零件间都以点焊连接，运用模拟在整个车身的构造中焊点。

2.3 对有限元模型进行验证
一般对有限元模型进行模态分析、静态刚度的测试。

先是采用实验设备对其进行模态测试，获得的数据参数。

再进行车身的静刚度检测，测试车身在静态下承受不同的重量发生的变化，分析车身结
构抵抗的能力。

通过软件对车身模型进行模态的计算，获得参考数据。

然后，按照静刚度的检测，选出支撑的边界条件，依据实际的超重解决方式，运用软件算出静刚度的模拟计算结果，整理数据文件。

根据模态、静刚度的检测结果、有限元模型的算数模态，最后得出满意的车身的有限元模型。

3 有关车身前、后轻量化与模态的分析
3.1 有关扭转刚度的分析
在建立起有限元模型后，算出车身扭转刚度的边界条件。

在研究扭转刚度中发现，约束前悬架支撑部分的5个自由度，约束后螺旋弹簧有的6个自由度，在支撑时运用施加等大小、方向的上下集中力。

车身的结构在扭转刚度通过不同部分变形程度分析，即：侧纵梁在车身的长度中方向发生垂直位移及窗口开口件对角线尺寸变化。

经过计算得出，测量出的右侧纵梁各位置的垂直位移发生的变化，坐标是全标，原点的位置在门前处。

通过位移的角度换算，计算车身的扭转，分析出扭转开口件对角线的变化。

最后得出车身轻量化前、后的扭转刚度、开口件对角线的尺寸变化率，再依据企业的内部要求，将其控制在范围内。

3.2 有关弯曲刚度的分析
在分析弯曲的刚度中，约束前悬架的支撑点、后螺旋的支撑方向
6个自由度的不同，前部弯曲的情况位于门槛上，后部的弯曲程度在中门槛上，每侧均匀在集中力的垂直下方。

车身的弯曲刚度分析，是通过下部位的变形情况，从一侧纵梁的车身长度方位垂直变化。

文章通过分析，算出计算结果，测量出右侧的纵梁上的各方位的变化曲线位移，坐标是整车的坐标系，把车身的前部、后部弯曲刚度在车轻量化前、后作对比。

通过对比，得出车身轻量化前、后的弯曲刚度、开口件的对角线的大小变化，使其在控制范围内。

3.3 有关模态的分析
因为车身的震动会影响到频率的不同区域，产生不同的激励频率。

为了确保车身结构的刚度及强度，所以一般采用修改模态数据的方案，把车身结构的低阶模态频率加以提高。

在有关的模态分析中，运用自由的模态，不限定各种条件的约束，一般在一阶段中扭转的模态计算降低，不会超出企业的内部规定要求，所以一阶段的弯曲变化模态的分数值不大。

经研究分析，参照之前工程的数据，一阶段的扭转模态的分数值减少是受到来自结构外板的薄厚的影响。

在保持原有的后侧围外板厚度的基础上，又对车模态进行了新的计算，采用一阶段的扭转模态计算，在质量不减的情况下，对比可以看出两个部件的扭转问题，一阶段扭转模态计算提高的快，所以，通过研究决定后侧围外板不应该减少厚度。

经分析，最终确定在原有的基础上减轻质量。

为了验证分析有限
元，对车身的轻量化进行模态的测试，测出了规定的频率与振型。

运用振点、多点的方法对车进行自由模态的测试，车的轻量化对车进行检测。

通过对有限元模型计算得出固有频率与测试的频率，轻量化后的有限元模型反应的实际问题。

另外，基本薄厚的变化零件能够在原始生产的原模，为了更好的完成，有效地控制住生产的成本。

4 结论
本文通过组建车身的有限元分析模型，并对其采取了扭转、弯曲及模态进行实验分析，对比计算出车身轻量化的前、后车身的数值。

经过研究对比分析，车身的轻量化前、后车身的扭转、弯曲钢度相差不大，而一阶段的扭转模态值变化大，呈现降低趋势。

通过计算分析，得到底阶段的有关扭转模态的外板、后侧围板的某些灵敏部件是需要关注的重点，提出了关键的部件厚度不变，确保车身模态的要求，也要在一定的程度上加大车的刚度值。

通过测试，发现轻量化的有限元分析结果与实车的测试结果较一致。

综合全文所述，采用模态分析的方法，将其方式运用其他车的轻量化的项目发展中，不但可以很好的降低成本，还可以有效地提高产品的安全可靠性。

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