车身结构模态分析与优化
车身结构动力学分析及优化设计
车身结构动力学分析及优化设计随着汽车工业的发展，轿车的外形设计变得愈加复杂，同时车辆的性能需求也得到了巨大的提升。
车身的结构设计和优化成为了车辆设计中的重要组成部分。
本文将从车身结构动力学分析入手，探讨车身结构的优化设计方法。
一、车身结构动力学分析1. 车身结构的刚度分析车身结构的刚度是指车身在受到外力作用时，不会发生过度变形的能力。
在整车静态状态下，刚度可以通过FEA仿真来精确求解。
2. 车身结构的模态分析车身结构的模态分析能够评估车身在振动状态下的响应特性，它是车身结构动力学分析的基础。
模态分析结果可以为优化设计提供参考。
3. 车身结构的应力分析车身在行驶过程中，存在各种力的作用，如加速度、制动力、悬挂力等。
这些力会在车身结构内部转移，产生内部应力。
应力分析能够预测车身结构在特定工况下的应力状态，为车身结构的优化设计提供基础数据。
二、车身结构的优化设计1. 材料的选择材料的选择对车身的性能和质量起着重要的作用。
用高强度或者轻质材料可以大大减轻车身的重量，提高车辆的加速性能和燃油经济性。
2. 结构的设计优化车身结构的设计优化包括减少空气阻力、重心下降、车身刚度提升等。
较少空气阻力可以在车辆行驶时减少风阻，提高车辆的性能和燃油经济性；重心下降可以提高车辆的稳定性和操控性；车身刚度的提升可以提高车辆的安全性。
3. 结构加固结构加固是车身结构优化设计中的重要部分，可采用刚性补强、寿命加强等方法加固车身，使车身在强度和刚度上都得到了提高，从而能够承受更大的冲击力。
三、结论车身结构动力学分析和优化设计是车辆设计中的重要组成部分，它可以提高车辆的性能、安全性和质量。
在设计和制造车身结构时，需要利用现代的技术手段，如FEA仿真、设计优化软件等进行辅助，精准地分析和预测车身结构的行为，进而优化设计方案，实现优化设计。
纯电动客车车架结构模态分析与优化设计
纯电动客车车架结构模态分析与优化设计世界各国对环保的日益重视,电动车成为了汽车工业的一个热门领域。
内燃机客车污染的问题被广泛关注,而纯电动客车迅速发展,具有环保、经济等多方面的优势,受到了越来越多人的青睐。
在纯电动客车设计中,车架结构是至关重要的一个组成部分,它决定了车辆整体的强度、刚度、耐久性等参数,因此对电动客车车架结构进行模态分析和优化设计变得越来越必要。
一、电动客车车架结构模态分析车架结构模态分析是对车辆在振动力作用下的固有振动模态进行分析,从而确定车辆在不同振动模态下的固有频率和振动形式。
通过模态分析可以确定车辆关键零部件的固有频率和振动形式,进而进行结构优化设计,充分利用车辆的材料和积弱优势,提高车辆的强度和耐久性。
纯电动客车车架结构模态分析涉及到不同的振动模态,包括两个关键点的弯曲模态、两个支撑点横向平移模态、前后支撑点扭转模态、车体略微弯曲模态等。
通过使用有限元的方式进行车架结构的有限元分析,可以得出模态分析结果。
基于分析结果绘制模态图谱,可以清晰地看到不同模态下车架结构的弯曲振动形态,包括固有频率和振动阶次等参数,为进一步的优化设计提供了基础数据。
二、纯电动客车车架结构优化设计基于模态分析结果,纯电动客车车架结构的优化方案主要有以下几个方面:1.材料选择和加强。
根据模态分析结果,选择优化材料,并加强车架结构的强度和刚度。
由于纯电动客车的整备质量较重,需要用到高强度和高韧性的材料来增加车架的强度,如采用高硬度的钢-铝-铁复合材料,可以提高车架的强度和刚度。
2.设计结构需考虑动态负载。
纯电动客车运行时会产生一定的动态负载,因此在设计车架结构时需要考虑动态负载和振动的变化,保证车架结构的稳定性。
3.改进连接点和结构。
车架结构各个部件通过连接点组合起来,因此需要设计合理的连接点和正确的方式连接各个部件,确保车架结构与车身的耦合效果达到最优。
4.最优化设计。
模态分析结果可以指导最优化设计,根据车架结构的耐久性和运行效果要求得出最优化方案,提高车架质量和安全性。
车身结构优化设计研究
车身结构优化设计研究随着人们对安全性和环保性的日益关注，汽车制造技术也在不断更新和优化。
车身结构优化设计研究是其中一个重要的方向。
本文将从车身结构优化设计的意义、方法与技术、优化设计的实际应用等方面进行探讨。
一、车身结构优化设计的意义车身结构是汽车整车的一个重要组成部分，它不仅关系到汽车的安全性和性能，还与车辆的质量、制造工艺、成本等方面都有密切关系。
因此，在汽车的制造过程中，车身结构的设计优化是非常重要的。
车身结构优化设计旨在通过优化车身结构的设计，达到提高汽车整车的性能和安全性，降低成本和优化制造工艺等目的。
同时，优化车身结构还可以减少汽车的燃料消耗和排放，达到环保目标，具有重要的意义。
二、车身结构优化设计的方法与技术车身结构优化设计的方法主要包括三个方面：模拟分析、参数优化和实验验证。
其中，模拟分析是车身结构优化设计的重要方法和手段。
模拟分析可以通过对汽车的结构进行建模，对结构进行数字化仿真分析，以达到模拟汽车在不同工况下的运动状态、力学性能、疲劳寿命等方面的表现。
同时，模拟分析还可以对车身结构进行优化设计，以提高汽车的性能和安全性，并达到降低成本和优化制造工艺的目的。
在车身结构优化设计中，参数优化也是一种重要的方法和技术。
参数优化可以通过对汽车结构的参数进行调整，以达到优化汽车性能和安全性的目的。
同时，通过对参数进行优化设计，还可以减少汽车的燃料消耗和排放，达到环保目标。
实验验证是车身结构优化设计中的另一种重要方法和技术。
实验验证可以通过对汽车结构实际进行测试和验证，以验证模拟分析和参数优化的结果。
同时，实验验证还可以为汽车的制造提供重要的参考依据，达到优化制造工艺的目的。
三、车身结构优化设计的实际应用车身结构优化设计在实际应用中具有广泛的应用前景。
在汽车制造的各个环节中，优化车身结构设计都具有重要的意义。
首先，在汽车设计制造的初期阶段，车身结构优化设计可以为汽车的整车设计提供重要的参考依据，以确保汽车的结构设计符合整车性能和安全性的要求。
高速铁路列车车体结构模态分析与优化
高速铁路列车车体结构模态分析与优化高速铁路列车的运行速度日益增加，为确保列车的稳定性和乘坐舒适度，车体结构的模态分析和优化变得愈发重要。
本文将对高速铁路列车车体结构进行模态分析，并探讨如何通过优化车体结构来提高列车的运行性能。
首先，我们将进行高速铁路列车车体结构的模态分析。
模态分析是研究机械结构在固有频率下的振动特性的一种方法。
通过计算车体结构的固有频率和振型，可以了解列车在不同振动模态下的响应情况，并判断是否存在共振问题。
同时，模态分析还可用于检测车体结构的强度和刚度，并为后续的优化设计提供基础。
在模态分析过程中，我们要考虑列车的运行工况、车体结构的材料特性、连接方式等因素。
通过有限元分析方法，我们可以对整个车体结构进行离散建模，并计算出结构的振动模态。
对于高速列车而言，模态分析的重点通常是低频振动模态，因为高频模态对列车运行影响较小。
针对模态分析结果中发现的问题，我们可以进一步考虑车体结构的优化。
优化车体结构旨在提高列车的运行性能，例如减小结构的重量、提高结构的刚度和强度、降低共振风险等。
为此，我们可以采用以下几种优化方法。
首先，材料选用是车体结构优化的关键。
选择合适的材料可以提高结构的轻量化效果，减小车体质量对列车的影响。
优化材料的选择要考虑结构的强度、刚度和耐疲劳性等多方面因素，并使得整体材料成本不过高。
常用的思路是采用高强度、高刚度的材料，如碳纤维复合材料，以替代传统的金属材料。
其次，结构拓扑优化是一种有效的方法。
通过重新设计和优化车体结构的拓扑形状，可以减小结构的重量和体积，提高结构的刚度。
例如，在车体结构的运动关节点上增加加强构件，可以提高结构的整体刚度和强度，减小结构的应力集中。
另外，结构的缺陷和不规则特征都会影响模态分析的结果和车体的振动性能。
因此，进行几何形状的优化也是必要的。
几何形状优化可以通过对车体的涵义管线和曲线进行优化，以减小空气阻力和降低噪声。
此外，优化结构还应考虑列车的气动性能，以提高列车的稳定性和降低风险。
车身结构优化设计与性能分析
车身结构优化设计与性能分析一、前言汽车行业经历了长达一个世纪的发展，车身结构也随之不断进化。
从最初的单纯金属制造到现在的多材料结构，每一次的演变都让汽车更加安全与高效。
本文将从车身结构的优化设计入手，探讨如何提高汽车性能。
二、车身结构的优化设计1. 材料选择在过去，车身结构主要是由钢铁等金属材料构成，但现在随着新材料技术的不断发展，更多的新材料被应用于车身结构上。
比如碳纤维，它的强度和刚度比钢铁还高，同时它的重量却要轻很多，可以大大减轻汽车的整体重量，提高汽车的燃油效率和节能性能。
2. 结构设计车身结构设计需要考虑车辆的性能和安全性。
为了达到这些目标，工程师们通常会采用一些设计手段来确保车辆在各种条件下的安全性和性能。
例如，在汽车碰撞时，工程师必须确认车身结构能承受撞击力，并且车内乘客得到足够的保护。
设计车身结构时，还要考虑到气动以及流体力学特性，以确保汽车在高速行驶的过程中能够保持稳定的行驶。
3. 仿真计算与传统的试错方法相比，仿真计算可以更加快速而精确地对车身结构进行评估，减少时间和成本。
使用高效的计算机仿真软件，工程师们可以对施力、载荷、应力、扭矩和应变等因素进行详细的分析和优化。
在此基础上，设计出更加优异的车身结构，缩短研发周期，提高产品质量。
三、车身结构性能分析1. 刚度车身结构的刚度对于汽车牵引、平稳行驶、路面过滤等方面的表现有极大的影响。
由于车身结构的强度和刚度取决于材料和构造，在材料性能相同时，通过合理结构设计和优秀的组装工艺可以极大提高车身的刚度。
2. 强度车身结构的强度代表着汽车在受到外力冲撞时对撞击力的抵抗能力。
因此，提高车身的强度可以保证汽车在各种行业标准测试下的安全性能。
3. 抗拉能力抗拉能力是车身结构性能的一个重要指标，它代表了车身在受到拉力时的能力。
因此，车身结构的材料和结构设计需要具备足够的抗拉能力，以确保车辆在行驶过程中不易损坏。
4. 范德瓦尔斯力分析驾驶车辆时，车身的稳定性对乘客的感觉和安全性都是非常重要的。
研究皮卡车车身前机舱及地板模态分析与结构优化
研究皮卡车车身前机舱及地板模态分析与结构优化随着全球商业和经济的快速发展，对物流运输的需求也越来越大。
在物流运输领域中，皮卡车成为了一种非常常见的运输工具。
由于皮卡车具有较小的车身尺寸和较低的悬挂高度，导致其车身前机舱及地板结构容易受到外界的振动和冲击，从而影响车辆的稳定性和安全性。
为了解决这一问题，对皮卡车车身前机舱及地板进行模态分析与结构优化是非常必要的。
汽车的模态分析是通过数学方法和计算机模拟来研究汽车结构的振动特性以及结构的固有频率。
对于皮卡车车身前机舱及地板而言，模态分析可以帮助我们了解结构在振动时的变形和应力分布情况，从而为后续的结构优化提供依据。
在进行模态分析时，首先需要建立皮卡车的有限元模型。
有限元模型是通过将复杂的结构分割成许多小的有限元单元来近似描述结构的数学模型。
然后，根据模型的几何和材料性质，使用合适的有限元分析软件进行模态分析。
在模态分析中，主要通过求解结构的特征值问题来得到结构的固有频率和振型。
固有频率是指结构在没有外界激励的情况下自由振动的频率，而振型则是指结构在特定频率下的空间形态。
通过模态分析，可以获取到结构的固有频率和振型信息，从而对皮卡车车身前机舱及地板结构的振动特性进行评估。
在得到皮卡车车身前机舱及地板的振动特性后，接下来需要进行结构优化。
结构优化是指通过改变结构的设计参数，以达到满足特定要求的目标函数，使得结构在特定工况下具有更好的性能。
在皮卡车车身前机舱及地板结构的优化中，主要包括两个方面的考虑：振动特性和结构强度。
通过对结构的拓扑和几何参数进行调整，可以改变结构的固有频率和振动模态，从而减小结构受到外界振动和冲击的影响。
通过优化结构的材料和厚度分布，可以提高结构的强度和刚度，从而增强结构的抗振能力和稳定性。
研究皮卡车车身前机舱及地板的模态分析与结构优化对于提高皮卡车的稳定性和安全性具有重要意义。
通过对结构的振动特性进行分析和优化，可以提高皮卡车在运输过程中的稳定性和安全性，同时也可以减小结构对车辆的影响，提高车辆的性能和舒适性。
研究皮卡车车身前机舱及地板模态分析与结构优化
研究皮卡车车身前机舱及地板模态分析与结构优化
皮卡车是一种常见的商用车辆，其车身前机舱与地板的结构设计对于车辆性能及舒适性具有重要意义。
本文针对皮卡车车身前机舱及地板的结构进行了模态分析和结构优化，以提升车辆性能和舒适性。
首先，利用有限元方法对车身前机舱及地板进行有限元建模，并进行模态分析。
通过分析模态分析结果，得出车体前机舱及地板的模态特点及模态频率。
在模态分析过程中，发现车身前机舱及地板在某些频率下会出现较大的振动，会导致车辆运行时的噪音以及不稳定的行驶状况，因此进行结构优化。
对于车身前机舱及地板结构的优化，主要采取以下措施。
首先，优化车身前机舱的结构设计，增加支撑点以增强整个结构的稳定性。
其次，采用加强材料对地板进行加强，从而增加地板的刚度和强度。
最后，在车辆后部增加减震装置以减少车辆的震动和噪音。
通过以上结构优化，进行了新的模态分析，并对优化结果进行验证。
结果表明，经过结构优化后，车身前机舱及地板在各频率段的振动均得到了明显的降低，车辆的行驶更加平稳，噪音也得到了有效控制，提升了车辆的乘坐舒适性和行驶安全性。
同时，该优化方案可实现低成本的车身结构改进，对于实际生产具有一定的参考意义。
综上所述，本文针对皮卡车的车身前机舱及地板进行了模态分析和结构优化，有效提升了车辆的性能和舒适性，并提供了一种低成本的车身结构改进方案。
焦言：好的硬件是基础，好的软件才是灵魂。
考虑冲压残余应力和厚度变化的车身结构模态分析与优化
等 因素 对 于 结 构模 态 和 固有 频 率 具 有 不 容 忽 视 的 影 响 ， 但 目前 在车身结 构模 态分 析 中建 立 的有 限元 模 ， 型都是 直接 由 Ｃ Ｄ模 型 进行 网格 划分 ， 未 考虑 零 件 Ａ 并
生产制 造过 程所 带 来 的影 响 。因此 ， 必 要 通 过 有 限 有 元方法 引入成形 残余应 力及 厚度 减 薄等 因 素并研 究 其 对构件 固有频 率 的影 响 ， 为提 高 有 限元 模 态 分 析 精 度
＝
（） １
利 用 虚 功 原 理 ， 以 推 出 单 元 刚 度 矩 阵 的 表 可
首先对 零件 进 行 冲压 仿真 计 算 ， 利 用 网格 映 射 并 技术 ， 将相 应 的厚 度 分 布 、 塑性 应 变 、 余 应 力 等 信 息 残
基金 项 目 ：“ 十一 五 ” 国家 科 技 支撑 计 划 （ ０６ ＡＦ２ ０ ０ ） ２ ０ Ｂ ０ Ａ ２— ３ 收稿 １期 ：２ ０ ３ ０ ８—１ — ３ 修 改 稿 收 到 １期 ：０ ９—０ ０ １０ ３ ２０ ５— ７
摘 要 ：车身零件冲压成形过程中产生的残余应力和厚度变化对其结构模态和固有频率具有重要的影响， 而目前
常用的有限元模态分析方法中 ， 常常忽 略了成形因素所带来 的影 响 ， 导致分析结 果与实际情况不相符 。采用有限元 网格 映射算法 ， 在车身结构模态分析中引入成形信息 ， 并将成形残余应力作为预应力施加 ， 研究成形因素对车身结构模态和 固 有频率的影 响。研究结果表 明， 虑成形 比未考虑成形影 响的模态 分析结果更接近实验结果 。最后 ， 考 进行了基于成形 因 素的车身结构灵敏度分析与优化 。 关键词 ：冲压成形 ； 残余应力 ； 模态分析； 敏度分析 ； 灵 结构优化
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第３期
廖代辉等：考虑冲压残余应力和厚度变化的车身结构模态分析与优化
３ｌ
元刚度矩阵与厚度的关系可表示为：
ｒ＝蟛＋磁＝Ｅ＾蠡毫＋Ｅ＾３磁，
（３）
式中：霹是２４ Ｘ２４矩阵，由平面刚度矩阵转化到
整体坐标而成。蟛是２４ Ｘ２４矩阵，由弯曲刚度矩阵转 化到整体坐标而成。Ｅ为材料弹性常数，ｈ为单元厚
度，酸和戤为刚度矩阵中与Ｅ和ｈ无关的部分。
第２９卷第３期
振动与冲击 ＪＯＵＲＮ＾Ｔ．ＯＦ ＶｌＢＲＡ”ｏＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ
Ｖ０１．２９ Ｎｏ．３ ２０１０
考虑冲压残余应力和厚度变化的车身结构模态分析与优化
廖代辉，成艾国，谢慧超
（湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙４１００８２）
摘 要：车身零件冲压成形过程中产生的残余应力和厚度变化对其结构模态和固有频率具有重要的影响，而目前
如果是残余拉应力，则会使其弹性模量和构件刚度降
低，从而降低其固有频率；反之如果是残余压应力，则
会增加增大其固有频率。
此外，由以上分析及式（３）、式（４）、式（矩阵都会受
到单元厚度变化的影响；从式（３）、式（４）还可看出，冈０
度矩阵对厚度的变化非常敏感，当其它条件不变时，零
（ａ）残余应力分布云图（ＭＰａ）
（ｂ）厚度分布云图（ｍｍ） 图２顶盖成形仿真分析结果
图３顶盖实际冲压成形照片 采用有限元网格映射方法将包含有残余应力应变 和厚度分布的文件引入到有限元分析模型中，约束顶 盖四周的边界节点，模拟顶盖在车身中的自然振动状 态。对汽车顶盖的模态及固有频率进行分析，计算所 得的顶盖前四阶振动固有频率对比如表１所示。
万方数据
从表４中可以看出，车身结构经过以轻量化为目 标的结构优化设计之后，车身结构的主要模态频率得 到了大幅度的提高，优化后的车身结构考虑成形因素 的一阶扭转频率满足设计目标要求；并且结构优化后 的车身质量和生产成本也得到了有效控制。
５结论
（１）根据残余应力与弹性模量、刚度矩阵、固有频 率的关系推导可知，当构件中存在残余应力时，如果是
２冲压残余应力和厚度变化对结构固有频率 的影响研究
在有限元分析中，具有ｎ自由度无阻尼系统的振
动微分方程有解的条件为：
（［Ｋ］一∞２［肘］）［Ｃ］＝０
（１）
利用虚功原理，可以推出单元刚度矩阵的表 达式Ｈ Ｊ：
ｒ＝Ｌ曰７ＤＢｄＶ
（２）
式中：Ｂ为应变矩阵，Ｄ为弹性矩阵，ｙ为单元 体积。
四节点矩形壳单元的刚度矩阵由平面刚度矩阵和 平板弯曲刚度矩阵按节点自由度位置叠加起来，其单
ＤＺＨＵ～ＲＥＩＮ—ＵＰ １．２ ０．８ １．５ １．４９７３ １．５
ＷＤＬ ０ＵＴ
１．０ Ｏ．８ １．５ １．５０００ １．５
表４基于成形因素的结构优化质量及性能指标对比
ｗＥＩＧＨＴ／ｋｇ‘＇灵Ｈｚ敏／ｋ度ｇ＇／ｎｌ
Ｄ
根据表２中的灵敏度计算结果，零件ＤＺＨＵ—ＯＵＴ、 ＤＺＨＵ—ＲＥＩＮ—ＵＰ、ＷＤＬ—ＯＵＴ（Ｄ柱外板、Ｄ柱上内板、 尾端梁外板）的灵敏度绝对值较大且为正，说明厚度减 薄会很大程度上降低其固有频率；同时，零件ＷＭＫＨＬ— ＵＰ２（尾门框上横梁）灵敏度绝对值较大且为负，说明 成形过程中的厚度减薄反而对提高固有频率有帮助，
件厚度越大，其刚度矩阵会大幅度提高，从而提高结构
的刚度和固有频率，反之，如果零件局部厚度减薄，则
会在很大程度上降低其刚度和固有频率。
３算例
根据残余应力的产生机理，通过平衡微分方程和 相应的定解条件，可以用解析法求出一次性整体卸载 后残余应力和单元厚度的精确解旧ｏ。但这只能是对于 少数方程性质比较简单，且几何形状相当规则的问题。 而对于大多数汽车覆盖件而言，其求解区域的几何形 状比较复杂或方程的某些特征的非线形性质，则不能 得到解析的答案。
目前广泛采用的残余应力测量方法主要分为破坏 性的应力释放测量法和非破坏性的物理测量法，如盲 孔法（Ａ，：ｆＬ法）、Ｘ射线衍射法（ＸＲＤ）等。虽然采用实 验方法可以比较准确地得到零件各部位的残余应力应
变分布万，方但数却存 据在成本高、效率低等缺点，此外，应力测
量结果只是针对某一测量点而言，而且常常受到材料 类型的限制¨’８ Ｊ。
３２
振动与冲击
２０１０年第２９卷
阶数
ｌ ２ ３ ４
表１成形因素对结构固有频率的影响对比
未考虑 成形因素
２９．２２
３７．６３
频率／Ｈｚ
只考虑 残余应力
只考虑 厚度减薄
３１．１０
２６．４６
４０．０６
３３．４６
考虑所有 成形因素
２８．１７
３５．６２
３９．１８
４１．７ｌ
３６．３５
３８．７０
４４．９３
４７．５５
零件在成形过程中产生的残余应力及其厚度减薄 等因素对于结构模态和同有频率具有不容忽视的影 响Ｌ３’４１，但目前在车身结构模态分析中建立的有限元模 型都是直接由ＣＡＤ模型进行网格划分，并未考虑零件 生产制造过程所带来的影响。因此，有必要通过有限 元方法引入成形残余应力及厚度减薄等因素并研究其 对构件同有频率的影响，为提高有限元模态分析精度 提供重要参考。
１有限元网格映射算法
在模态分析中考虑成形因素的影响，最关键的环 节就是如何将冲压变形后产生的残余应力、厚度变化 等信息映射到模态有限元分析模型中。本文采用的有 限元网格映射流程如图ｌ所示。
首先对零件进行冲压仿真计算，并利用网格映射 技术，将相应的厚度分布、塑性应变、残余应力等信息
基金项目：“十一五”国家科技支撑计划（２００６ＢＡＦ０２Ａ０２—０３） 收稿日期：２００８—１１—０３修改稿收到日期：２００９—０５—０７ 第一作者廖代辉女，博士生，１９７８年１２月生 通讯作者成艾国男，教授，１９７２年生
表３ 以一阶扭转频率为目标函数的零件厚度优化结果
优化变量
代号 翟Ｔ限蠡缮篓圆整
目标函数／Ｈｚ
ＦＲＥＱ
２４．２８一
— ２９．１９
—
约束函数／ｋｇ 设计变量／ｍｍ
ＷＥＩＧＨＴ ＷＭＫＨＬ＿ＵＰ２ ＤＺＨＵ ０ＵＴ
２７２
一
１．０ ０．８
Ｏ．８ Ｏ．７
２７２ ２５９．７３ ２５９．４２ １．２ ０．８００８ Ｏ．８ １．２ １．１６２３ １．２
第３期
廖代辉等：考虑冲压残余应力和厚度变化的车身结构模态分析与优化
３３
残余拉应力，则会使其弹性模量和构件刚度降低，从而 降低其固有频率；反之如果是残余压应力，则会增加增 大其固有频率；而厚度减小则会同时影响刚度矩阵和 质量矩阵，进而降低构件固有频率。
（２）本文在灵敏度分析的基础上，对某白车身进 行了基于成形因素的结构优化。研究结果表明，对于 白车身一阶扭转和弯曲模态频率，引入关键零件成形 因素后的模态计算结果相对优化前模态频率得到了提 高，且与试验结果基本一致；同时结构优化后的生产成 本也得到了有效控制，不仅很好地满足了结构性能的 设计要求，而且减重效果明显。
４２．２１
４４．６６
所以进行整车的模态分析和优化过程中必须考虑灵敏 度大的零件的成形性影响。通过引入成形因素后的计 算值和目标值对比发现，现有车身结构的同有频率 （２４．２８ Ｈｚ）并没有达到预期目标（２５ Ｈｚ），必须对结构 进行重新优化设计以提高结构刚度和模态固有频率。 图４为考虑成形因素后的白车身结构一阶扭转模态 振型。
常用的有限元模态分析方法中，常常忽略了成形因素所带来的影响，导致分析结果与实际情况不相符。采用有限元网格
映射算法，在车身结构模态分析中引入成形信息，并将成形残余应力作为预应力施加。研究成形因素对车身结构模态和同
有频率的影响。研究结果表明，考虑成形比未考虑成形影响的模态分析结果吏接近实验结果。最后，进行了基于成形因
已有研究结果表明一’１０Ｊ，可以通过数值模拟方法 分别进行加载和回弹应力应变分析，并将两者应力场 进行叠加，得到残余应力和厚度分布。采用基于塑性 流动理论的显一隐式结合的增量有限元方法能够较为 精确地进行冲压件残余应力应变及厚度分布的预示。
以汽车顶盖为例，研究冲压残余应力和厚度变化 对结构固有频率仿真分析结果的影响。首先对顶盖的 残余应力、应变以及厚度分布进行仿真求解。顶盖材 料初始屈服强度为１５５ ＭＰａ，初始厚度０．８ ｍｍ。成形 后的残余应力及厚度分布如图２所示。图３所示为采 用仿真中的冲压过程参数进行顶盖冲压成形的实物照 片。对比表明，仿真计算与实际冲压结果相吻合。
表２ 白车身板厚灵敏度分析结果
零件名称
’
州｝攀 ＦＲＥＱ／Ｈｚ ｍ！Ｒ驾父Ｊ曼
图４一阶扭转模态振型图（变形放大２０倍）
优化前后的车身固有频率、总质量及各零件厚度 如表３所示。
为了保证结构优化后车身的基本性能（如车身强 度、刚度和自然模态频率等）不受到影响，必须对材料 和厚度更换后的车身结构进行性能校核，直到满足轻 量化要求。表４中所示为结构优化前后的车身质量及 其考虑成形性后的基本力学性能对比。
通过表１的对比可知：引入零件的残余应力可以 提高其模态频率；引入成形过程中的厚度减薄则会降 低构件固有频率；从综合影响来看，引入成形因素时的 固有频率比未引入成形因素的频率有所降低，特别是 对低阶模态影响比较明显，说明零件冲压时的厚度减 薄对其模态频率的影响比其它成形因素的影响要大。
但这种分析结果只是成形因素对零件本身的影 响。由于车身结构是由成百上千个冲压零件焊接而 成，有些零件对车身结构刚度贡献较大，而有些零件几 乎对车身结构的刚度没有贡献，对刚度贡献小的这些 零件的成形因素对结构影响也就相对较小。此外，在 车身结构中，有些零件厚度减小反而对提高结构的模 态频率有帮助，因此，我们在进行结构优化时必须要知 道零件的某些结构参数对车身结构模态的灵敏度。
无残余应力时的弹性模量；矗为表征残余应力影响的常
系数；规定式中拉应力为正，压应力为负。
将式（３）、式（４）、式（５）代入式（１），可得单元固有 频率与残余应力具有以下关系：