车身有限元模态分析与试验模态分析比较
利用CFAST单元模拟焊点白车身模态分析
利用CFAST单元模拟焊点白车身模态分析王力;臧孟炎;邓雄志;毕锦烟【摘要】CFAST类型焊点单元在建模时不要求网格节点对齐,是一种效率较高的焊点模型.但是CFAST单元在车身模态分析方面的应用研究较少.详细讨论了CFAST 单元的使用方法,并利用CFAST模拟焊点建立某A级轿车白车身模型进行模态分析.有限元模态分析与模态试验结果的对比表明,CFAST单元模拟焊点,在模态分析中具有较高的计算精度.【期刊名称】《汽车工程学报》【年(卷),期】2014(004)002【总页数】5页(P125-129)【关键词】CFAST;焊点;白车身;模态分析【作者】王力;臧孟炎;邓雄志;毕锦烟【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,广东,广州510640;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东,广州511434;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东,广州510640;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东,广州511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东,广州511434【正文语种】中文【中图分类】U463.82+1CAE技术在汽车行业的应用日益成熟。
通过CAE技术的应用，使整车开发周期大为缩短，开发效率大幅提高。
同时，技术人员通过大量的工作，使有限元模型能够得到更加准确的计算结果，进一步提升仿真驱动设计的能力[1]。
在焊点模拟方面，早期的处理方式是采用CBAR、RBE2等刚性单元模拟[2]，这种类型单元要求所焊接的两层壳单元之间节点对齐，因此需要在建立焊点时重新划分局部网格。
对于拥有4 000～6 000焊点的白车身而言，这将带来大量的工作。
为此，MSC Software公司先后推出了ACM2、CWELD和CFAST单元，这3种焊点单元在建模时均不要求单元的节点严格对齐，具有很高的效率[3-4]。
关于ACM2和CWELD焊点单元的应用，技术人员进行了大量的研究[5-9]，但是CFAST单元的应用研究较少。
轿车车身分析模态与试验模态对比研究
在 市场 竞 争 Ｈ趋激 烈 的现代 汽 车Ｔ 业领 域 ． 缩 短 新车 型开发 例期和 降低 成本 已成 为汽 车设 计发展
的必然 趋势 、有限元 法为 车身结构设 计提 供 了先进 的手段 ． 在设 汁仞期对 车身进 行有 限元 计算 ． 以找 可 出设 汁中的问 题
在利 川 白车身有 限元 模 型进 行其静 力学 和动力
计 算 种 应 用 ｌ
向． Ｙ轴指 向车 身 右方 与 轴 在 同一 水 平 面 内且 夹 角为 ９ ０度 ． 轴 指 向正上方 与 ｘ 面垂 直 Ｚ ｙ平 第 一阶模 态 ： 率 为 ３ ． ｚ 顶篷 ｙ向一 阶弯 频 ０９ Ｈ ， ２ 曲 ， 板绕 轴 晃动 （ 图 ２ 。顶篷 振 动 幅度较 大 ． 地 见 ）
・
３ ・ ６
维普资讯
轿车车身 分析模态与 试验模态对比 研究／ 青松 夏
首 先对 车身 模 型 的整 体笛 卡 儿坐 标 系做 说 明 ：
坐标系原点 位 于车身左 右对 称 面内 ．不 含发 电机舱
最 前端 ． 含纵 横梁最 下端 ． 不 其 轴指 向车身前 后方
维普资讯
计 算 椒 粥
汽 科 第１ ０ 年１ 车 技 期２ ８ 月 ０
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（ 汉 理 丁 大 学 汽 车 工程 学 院 ， 武 武汉 ４ ０ ７ ） ３ ０ ０
摘 要 ： 立 某 自主研 发 轿 年 自 车身 的 有 限元 模 型 ， 存 保 证 乍身结 构 力 学 特性 的 前 提下 ， 建 并 对 乍身 结 构进 行 简 化 。通
模态 分析 ． 可在 没计初期 对其 结构刚度 、 固有 振 型等 有充 分认 识 ． 町能避免 相关设 计缺 陷 ． 时修 改和 尽 及
试验和有限元计算结果差别分析
模态试验和有限元计算结果差别分析通过模态试验和之前有限元分析结果对比，发现试验和仿真得到的模态结果有所差异，这主要与以下一些因素有关：材料参数在仿真计算中材料弹性模量和泊松比一般为查手册得到的材料参数，有时材料参数为一个区间，在这些材料参数选择中与实际机床结构材料参数特性有差异。
边界条件约束不同（主要原因）在通过有限元进行结构模态分析时，对于床身部件一般采用地脚螺栓面的固定约束，而在实际模态测试中，床身底部是通过垫铁支撑，对于床身实际位移约束能力比地脚螺栓固定小很多，因此在仿真分析中不会出现床身整体的侧向摆动，而在试验测试中就可能会出现这种情况。
另外，在圆柱齿轮磨齿机仿真分析中仅对床身模型进行分析，而实际模态测试中床身上部已经安装了立柱，工作台等部件，边界条件与仿真有所差异。
立柱部件在仿真中一般通过底部丝杠螺母约束前后运动，直线导轨约束另外两个方向运动。
在实际模态测试中圆柱齿轮磨齿机立柱未开启静压，实际处于仅有底部支撑的约束状态，拉刀磨床立柱初步安装在后床身上，同样未完全约束，与仿真中设置的边界条件都有所差异。
另外，圆柱齿轮磨齿机的立柱部件已经安装前部滑座和磨具等部件，这与仿真中仅分析立柱机构本身的情况有所不同。
仿真结合面处理和实际情况不同在仿真计算中由于缺少结合面刚度和阻尼参数数据，在结合面处理中滑动连接（如直线导轨）采用不分离无摩擦模拟，固定连接（如螺栓连接）采用粘接处理。
这些处理方式与机床结构实际结合面状态不同，对结构模态分析结果造成影响。
可以通过进一步的试验技术，对运动结合面（直线导轨，静压导轨等）和固定结合面（螺栓连接）进行模态参数识别，得到其刚度和阻尼参数，进而完善有限元计算模型，提高仿真计算精度。
部件实际质量差别对于修整器等部件进行仿真分析时，由于缺少电机，轴承等标准件和外购件模型，只保留主体结构件进行模态仿真。
在实际模态测试中，修整器部件中已经安装电机等零部件，相当于质量增加，结构改变，所以会与仿真结果有所差异。
车身有限元模态分析与试验模态分析比较
车身有限元模态分析与试验模态分析比较Comparison of the FEM Modal Analysis and Test Modal Analysis forBody of Mini-Truck周定陆(长安汽车公司技术中心汽车工程设计所)摘要:本文利用MSC.Nastran有限元分析软件和MSC.Patran前后处理软件，微型货车车身进行了FEA建模，并进行了车身模态的理论计算分析，理论模态分析结果与试验模态分析结果进行了对比，对比结果证明了理论分析和试验分析的一致性非常好，这说明了此部分的分析工作完全可以利用计算机来代替试验室的大量同类试验工作，并且可以在还没有设计样车的设计过程中进行。
关键词：汽车、车身、模态分析Abstract: In this paper, a FEA model of a mini-truck was established and the FEM modal frequencies of BIW was analyzed by author with MSC.Nastran analyzing software and MSC.Patran pre/post processing software. Compared results of calculating and testing modal analysis. It is proved that calculating and testing results almost is the same. This means calculating modal analysis in computer can replace testing modal analysis in laboratory and doing it without design prototype of a mini-truck.Keyword: Automobile/Body in white/Modal analysis1前言在汽车产品设计中，预先掌握所设计产品的动态特性，从动态角度对产品进行设计，使所设计的产品满足动态要求，是非常重要的。
汽车车身模态分析研究综述
汽车车身模态分析研究综述北京信息科技大学研1202班姓名：曹国栋学号：2012020045摘要：车身是汽车的关键总成。
它的构造决定了整车的力学特性，对白车身进行模态分析不仅能考察车身结构的整体刚度特性，而且可以指导人们对车身结构进行优化以及响应分析。
因此，研究车身模态分析具有重要的意义。
本文综述了近几年国内外在车身模态分析领域内的研究，总结了研究理论和试验方法，并进行归纳。
最后，对未来的研究工作提出了一些展望。
关键词：车身；模态分析；有限元模态；试验模态；结构优化0 前言随着计算机技术的发展和仿真技术、有限元分析技术的提高，计算机辅助设计和分析技术几乎涵盖了涉及汽车性能的所有方面，如刚度、强度、疲劳寿命、振动噪声、运动与动力性分析、碰撞仿真和乘员保护、空气动力学特性等，各种计算机辅助设计软件为汽车设计提供了一个工具平台，极大地方便了汽车的设计。
车辆在行驶过程中，车身结构在各种振动源的激励下会产生振动，如发动机运转、路面不平以及高速行驶时风力引起的振动等。
如果这些振源的激励频率接近于车身整体或局部的固有频率，便会发生共振现象，产生剧烈振动和噪声，甚至造成结构破坏。
为提高汽车的安全性、舒适性和可靠性，就必须对车身结构的固有频率进行分析，通过结构设计避开各种振源的激励频率。
车身结构模态分析是新车型开发中有限元法应用的主要领域之一，是新产品开发中结构分析的主要内容。
尤其是车身结构的低阶弹性模态，它不仅反映了汽车车身的整体刚度性能，而且是控制汽车常规振动的关键指标，应作为汽车新产品开发的强制性考核内容。
有限元模态分析和试验模态分析方法是辨识汽车结构动态性能的一种有效的手段，在汽车车身动态性能研究中得到了广泛应用。
采用有限元方法对白车身进行模态分析，识别出车身结构的模态参数，并通过模态试验验证了有限元模型的正确性，为改型设计提供参考依据，是汽车开发设计与优化的一般流程。
因此，研究车身结构模态分析，进行车身轻量化设计和优化，对于提高国产轿车的自开发与科技创新能力，具有重要的理论意义和工程实用价值。
某商用车白车身仿真模态与试验对标
10.16638/ki.1671-7988.2019.14.044某商用车白车身仿真模态与试验对标邢建，高志彬*，张明，郝大亮，陈守佳（青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛266520）摘要：文章通过对某车型白车身仿真模态与试验模态的对比分析，以试验模态数据为真实数据作参考，对试验与仿真中局部应变能和位移较大位置进行分析并加以改进，优化后的仿真模态参数与试验模态参数基本一致，最终结果符合要求。
此方法可缩短研发周期，提高仿真结果的准确性。
关键词：白车身；仿真模态；试验模态；优化中图分类号：U463.82 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)14-135-03Simulation Modal and Test Benchmarking of a Commercial Vehicle's Body-in-White Xing Jian, Gao Zhibin*, Zhang Ming, Hao Daliang, Chen Shoujia ( School of Mechanical & Automotive Engineering Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520 ) Abstract: Based on the comparative analysis of simulation modal and test modal of a car body-in-white, and taking the test modal data as a reference, the local strain energy and displacement position in the test and simulation are analyzed and improved. The optimized simulation modal parameters are basically consistent with the test modal parameters, and the final results meet the requirements. This method can shorten the development cycle and improve the accuracy of simulation results. Keywords: White body; Simulation mode; Test mode; OptimizationCLC NO.: U463.82 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)14-135-03引言随着计算机科学的发展与完善，有限元分析越来越多的应用在了汽车领域。
基于LMS Virtual.Lab的车身模态分析和试验验证
基于b的车身模态有限元分析及试验验证王永利赵永宏周文超一汽技术中心摘要：车身模态分析就是研究车身振动特性的主要方法，其具体研究方式可分为试验模态分析和有限元模态分析两种方法。
基于有限元方法的模态分析，由于在建模过程中引进了一系列人为假设，因而导致了计算结果存在误差。
而试验模态分析是建立在试验基础上，所得到的动态特征参数则比较真实地反映了物理模型的的动力学特性。
本文分别用两种方法对乘用车白车身的模态进行分析计算，并对两种方法计算的结果进行对比验证。
进而为模态灵敏度分析、模态修正以及FEM校正等工作奠定了基础。
关键词：白车身模态分析试验模态有限元模态模态验证1.前言车辆在行驶过程中，车身结构在各种振动源的激励下会产生振动，如发动机运转、路面不平以及高速行驶时风力引起的振动等。
如果这些振源的激励接近车身整体或局部的固有频率，便会发生共振现象，产生剧烈振动和噪声，甚至造成结构破坏，为提高汽车的安全性、舒适性和可靠性，就必须对车身的振动特性进行分析，通过结构设计避免开各种振源的激励频率。
车身的模态分析技术就是解决车身振动问题最有效、最经济的方法。
车身的模态分析技术分为有限元模态分析和试验模态分析。
这两个方面的运用和发展相辅相成，能有效车身结构的振动问题。
特别是计算机技术的高速发展，有限元分析技术成熟的应用，在车身概念设计间段就可以对车身的振动特性进行详细的分析预测，对结构的设计更改提供可靠的数据，这样大大缩短了汽车的开发周期，降低开发成本。
有限元模型的建立，在边界条件的处理及力学模型的简化上，往往与实际结构相差较大，这样便会导致有限元模型的计算结果不可靠，失去实用价值。
用试验模态分析的模态参数对有限元模态分析的结果进行验证并修正有限元模型，使其更能符合实际从而提高有限元分析的精度。
本文对乘用车白车身的模态首先进行有限元分析，然后对对白车身样车进行试验模态分析，用试验模态参数对有限元模型计算结果进行对比分析验证。
轻卡白车身有限元模态与试验模态的对比研究
第一作者：祝慧，女，1982年
生，硕士，现从事车身设计工
作。
，材料属性如表1所示。
模拟中为自由模态分析，不施加任何边界条件。
表1 白车身模型材料属性
泊松比-3
密度，kg·mm
0.3 0.4
-6 7.85×10
-6 1.00×10
图1 白车身有限元模型
3.2 试验模型的建立
试验前做了大量的准备工作，包括选择悬挂点、制作连接件、调整悬挂位置、选择激振点、定位测点等，正式试验前还进行了预备性试验，以确保整套测试系统包括测量方法和试验条件的可靠有效。
此次试验采用了多点激振下的三向传感器测试，激振信号采用随机触发信号。
(图3 试验驾驶室
图4 试验模型测点布置图
白车身有限元模态频率、试验模态频率及振型描述如表2所示，从表2可看出，一阶扭转与二阶扭转的模态频率误差相差较大，在10%之内；两者一阶弯曲模态频率相差4.7%，而两者在驾驶室膨胀与整体上下弯曲的模态频率误差较小约3%，顶棚二阶纵图2 模态试验测试分析系统连接关系示意图
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59
图5 一阶扭转分析模态 图6 一阶扭转试验模态 图7 一阶弯曲分析模态 图8 一阶弯曲试验模态
图9 二阶扭转分析模态图10 二阶扭转试验模态(上接第69页)
4.3 附件舱
附件舱包括灭火器存放舱、消防演示5.2 消防演示系统
消防演示系统由灭火器、消防带、煤
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其计算结果也有较大的差别，表 2 和表 3 的数据表明，要获得高精度的计算结果，计算模型必须具
备一定的规模，规模较小时计算误差较大。
4.3 车身结构的动态分析
汽车行驶时要承受各种来自外界和内部激励源的激励，其中主要的激励来自路面对车轮的冲击
和发动机的振动，研究汽车的动态特性，能有效地分析其舒适性和疲劳寿命。设计汽车时，车身的
分析应用了两各不同规模的有限元模型进行了分析。其结果如表 3 所示。
表 3 不同规模模型计算结果（Hz）
模型 1
模型 2①
两模型
模型规模 阶次 计算值 振 型 模型规模 计算值
振 型 频率差
单元数 190662
1 25.178
弯曲
单元数
33.299 横向弯曲 8.121
MPC 数 310
2 27.409
正常行驶时激振频率：f=（5300±50）/60×2=176.67±1.67 Hz。
正常行驶时，发动机的激振频率已经远大于汽车的整体模态频率，不会引起汽车的共振。但怠
速时，发动机激振频率和白车身主要的前三阶整体模态频率非常接近，即使整车的整体固有频率比
白车身的整体固有频率略微提高，在怠速时也很容易引起车身的共振，影响舒适性与汽车的疲劳寿
摘 要: 本文利用 MSC.Nastran 有限元分析软件和 MSC.Patran 前后处理软件，微型货 车车身进行了 FEA 建模，并进行了车身模态的理论计算分析，理论模态分析结果与试验 模态分析结果进行了对比，对比结果证明了理论分析和试验分析的一致性非常好，这说 明了此部分的分析工作完全可以利用计算机来代替试验室的大量同类试验工作，并且可 以在还没有设计样车的设计过程中进行。 关键词：汽车、车身、模态分析
2002 年 MSC.Software 中国用户论文集
车身有限元模态分析与试验模态分析比较
Comparison of the FEM Modal Analysis and Test Modal Analysis for
Body of Mini-Truck
周定陆 (长安汽车公司技术中心汽车工程设计所)
有限元模型必须具有一定的规模，在设备允许的条件下，应尽可能减少对模型的简化，以提 高分析结果的精度。
主要的影响车辆动态特性的前 3 阶模态过于集中，且和发动机怠速时的激振频率很接近，这 样在怠速时很容易引起整车的共振，这对舒适性和使用是不利的。
白车身的第一阶整体模态是弯曲，第二阶整体模态是扭转，这说明白车身的弯曲刚度低于扭 转刚度。
局部
13
68.10
局部
74.421
局部
14
76.15
局部
2002 年 MSC.Software 中国用户论文集
3.2 主要振型图
白车身有限元理论模态分析结果的前几阶模态振型图，如图 1～4 所示。
图 1 一阶模态振型（纵向弯曲）
图 2 二阶模态振型（扭转）
图 3 三阶模态振型（横向弯曲和扭转组合）
2 几何模型和有限元模型
2002 年 MSC.Software 中国用户论文集
2.1 几何模型
在建立白车身的几何模型时，直接利用 CAD 的设计数据，并根据 FEM 计算的需要和要求，进行 必要的简化之后而得到。由于车身 CAD 设计的特点，在部分零件的 3D 数据之间，存在用于让位的料 缝缝隙，对于料缝缝隙，进行了几何上的协调。建立几何模型时，忽略车身上用于装配其他部件的 螺钉、螺母、零件中面与面之间的较小的倒圆和倒棱以及对力学结构影响较小的一些冲压筋、孔和 一些工艺结构，忽略车身中非重要结构的小零件。对重要零件进行简化时，尽量保持和原始 CAD 设 计的结构一致，在结构上简化较少，以便真实反映零件的结构特征。
Abstract: In this paper, a FEA model of a mini-truck was established and the FEM modal frequencies of BIW was analyzed by author with MSC.Nastran analyzing software and MSC.Patran pre/post processing software. Compared results of calculating and testing modal analysis. It is proved that calculating and testing results almost is the same. This means calculating modal analysis in computer can replace testing modal analysis in laboratory and doing it without design prototype of a mini-truck. Keyword: Automobile/Body in white/Modal analysis
2.2 有限元模型
由于微型汽车车身主要是由钣金冲压件和等半径等厚度的钢管横梁经过点焊和CO2保护焊焊接 后组成，因此用壳体单元Quard4 和部分Tria3 来模拟车身零件的薄板钣金结构和横梁的钢管结构。
在建立车身的几何模型时，需要点焊的地方，加上硬点，点焊焊点采用两种方式处理：①几何 上完全协调，消除了料缝的地方，使两个零件相同位置硬点处的两个节点同节点化，使之连为一体； ②部分有料缝的地方，采用MPC连接两个硬点处的节点。CO2保护焊缝用MPC连接相应位置处的节点 来模拟CO2焊缝。
图 4 五阶模态振型 （整车扭转、驾驶室和风窗对角扭转变形）
4 分析结果讨论
4.1 有限元模型精度验证
有限元模型必须有较高精度，这样其分析结果才是可信的，其分析结论才能在产品设计中实际
使用。从表 1 的理论和试验分析结果可知，理论和试验分析的前三阶模态是非常一致的，其前 3 阶
模态的对比分析结果如表 2 所示。
固有频率必须要有效地避开其激励频率，防止其发生共振。分析汽车的动态特性时，最好用整车的
固有频率来分析，白车身的固有频率不是严格意义上的整车固有频率，但比较接近，当在白车身模
型上加上货厢、发动机、前桥固定横梁等其他部分时，汽车的整车固有频率将会略为提高。
汽车在激励作用下，其振动是各阶模态振动的综合反映，起主要作用的是前几阶的整体模态，
扭转
33459 节点数
33.853
弯曲
6.444
节点数 192868
32167 3 29.131 弯扭组合
34.293
扭转
3.162
☆模型 1 是本次计算分析所用模型，分析软件是 MSC.Nastran；模型 2 使用的分析软件是 ANSYS。
从表 3 可以看出，对同一辆车，由于建模时简化规模不同，其有限元模型的规模是不一样的，
完成后的有限元模型规模：单元数 190662，MPC 数 310，节点数 192868。
3 分析结果
3.1 理论计算分析结果和试验分析结果
理论和试验模态分析仅考虑了白车身自身的质量和刚度,分析计算了白车身的自然模态频率和 振型。理论分析频率范围为 0～80Hz, 试验分析频率范围为 0～100Hz，各阶模态的理论和试验分析 结果如表 1 所示。
阶次 1 2 3 4
5
6
7
8 9 10 11 12 13 14
表 1 白车身模态的理论计算和试验分析结果
理论计算分析结果
试验分析结果
频率 hz
振型
阶次
频率 hz
振型
25.178
弯曲
1
24.66
弯曲
27.409
扭转
2
26.40
扭转
29.131
弯扭组合
3
29.12
弯扭组合
40.446
局部
4
34.60
局部
要进一步研究该车的动态特性，还必须进行其他内容分析和进行完成车的详细试验分析工作。
由于汽车车身结构是一个非常复杂的板壳结构，不可能应用简单的力学公式直接计算，而必须 把其结构离散化，利用有限元方法的计算分析，才能得出结果分析结果。
本文利用有限元方法，采用 MSC.Patran 软件离散并建立了微型货车车身（以下称为白车身）的 有限元模型，利用 MSC.Nastran 求解该模型，得出了白车身的各阶自由振动频率和振型，并和试验 模态进行了对比。
43.772
车架扭转、车身对
5
角扭转
36.36
局部
45.642
局部
6
38.60
局部
47.126
局部
7
42.70
车架扭转、顶盖上下
振动
50.778
局部
8
44.40
局部
52.375
局部
9
48.10
局部
58.388
局部
10
50.30
局部
63.966
局部
11
60.30
局部
69.216
局部
12
64.40
局部
72.283
1 前言
在汽车产品设计中，预先掌握所设计产品的动态特性，从动态角度对产品进行设计，使所设计 的产品满足动态要求，是非常重要的。获得产品结构的固有振动频率和振型，可以从两个方面得到， 一种方法是通过对实际样车进行试验，识别出结构的各阶模态频率和振型，另一种方法是通过理论 分析计算，分析计算出结构的各阶模态和振型。试验方法的局限性是必须在设计样车制造出来之后， 才能进行试验分析，通过对实际样车的试验分析，得出产品的基本动态特性，再返回去修改设计， 通过几轮样车制造和大量的试验分析，最终也能得到一个较为满意的产品，但周期长费用高。理论 计算分析方法可以在没有实际样车而只有设计结构的情况下，得出所设计产品的各阶模态，预测出 产品的动态特性，从而能减少样车的制造次数与试验次数，节省开发费用和缩短开发周期。