白车身模态分析试验方法研究 毕业设计

某商用车白车身模态分析及试验研究摘要：本文采用有限元数值模拟方法，并结合试验研究的手段，对某商用车的白车身进行模态分析。

分析过程中，利用超声波检测技术获取车体结构的固有频率，通过有限元分析软件对车体结构进行数值模拟，得到车体结构的振型及固有频率，并与试验结果进行对比，验证数值模拟的可靠性。

最后，针对车体结构的振动问题，提出了一些改进措施，以提高其振动性能。

关键词：商用车；白车身；模态分析；有限元方法；试验研究；振动正文：一、引言白车身是指未安装任何车身部件、发动机和传动系的车身结构，它是整车研究开发中的重要部分。

在商用车研发过程中，白车身的研究和分析对于整车设计和制造具有十分重要的意义。

其中，模态分析是对车身结构进行振动分析的有效手段之一，旨在确定车辆在不同频率下的振动状态。

对于商用车而言，优化车身结构的振动性能可以有效提高车辆的运行平稳性和乘坐舒适性，降低噪音和振动对车辆的影响，从而提高整车的质量和性能。

本文通过某商用车白车身的模态分析和试验研究，验证其振动特性，并提出相应的改进措施，以提高车身结构的振动性能。

二、模态分析方法本文采用有限元数值模拟方法，通过有限元分析软件对车体结构进行数值模拟，得到车体结构的振型及固有频率。

具体步骤如下：1. 建立有限元模型：根据车体结构的实际情况，利用有限元建模软件（如ANSYS等）建立车体结构的有限元模型，包括车身前、中、后三部分，并设置合适的边界条件。

2. 确定振动模态：在模型中输入一个外部激励，利用有限元分析软件计算得到车体结构的振型及固有频率。

3. 验证模拟结果：利用超声波检测技术获取车体结构的固有频率，与有限元分析的结果进行对比，验证数值模拟的可靠性。

三、试验研究方法为验证数值模拟结果的可靠性，本文采用超声波检测技术对车体结构进行试验研究。

具体步骤如下：1. 选择检测仪器：选用超声波检测仪器，如PMUT、HIT、Elcometer等，进行非接触式的结构固有频率测量。

某轿车白车身模态分析与试验研究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，但产品使用中的问题如何在设计阶段解决，如何提高设计质量、缩短产品开发周期、节省开发费用，一直是汽车研发和设计人员追求的目标。

目前，反映汽车车身动态特性的设计分析，仍然以实车身试验为主、计算机模拟分析为辅。

标签：白车身；试验；模态分析1、有限元模型的建立车身有限元模型，应具有足够的准确性，既能反映实际结构的主要力学特性、结构的实际状况，又能保证网格质量以提高计算精度，因此需遵循以下原则：1.1将部分大圆形孔简化为多边行孔，半径小于5mm的孔可忽略不计。

1.2单元数目不宜过多，否则将对计算机软件和硬件设备提出更高的要求，要耗费更多的计算时间；也不易过少，过少将会导致计算结果精确度降低。

1.3删去对整体性能影响不大的小部件，但保证总体白车身质量与实际质量相差不大。

现代轿车多采用全承载式车身，车体骨架结构由车体结构件及覆盖件焊接而成。

白车身的焊接工艺主要有点焊和二氧化碳保护焊等。

点焊是白车身装配时最重要的焊接方式，考虑到传递力的特性，对点焊采用CWELD单元进行点焊的模拟。

二氧化碳保护焊采用RBE2单元进行模拟，该车身采用板壳单元（shell）进行结构的离散化在Hypermesh软件中对几何模型进行网格划分。

整体网格质量为：单元长度最短不小于4mm，长宽比大于1：5，最小四边形内角大于45°，最小三边形内角大于20°，雅可比大于0.5，最大四边形角度小于135°，最大三边形角度小于120°，单元翘曲角度不大于15°。

在划分过程中对网格质量进行控制，在模型中使三角形单元的数量占单元总数量的27%，其余均采用四边形壳单元。

车身工程中心编制人：新严重度新频度新探测度新风险顺序数1零部件无法安装1车身数据未符合边界要求5按《白车身孔位描述书》和《零部件边界条件确认表》进行数据检查152车身无法焊装、车身运动干涉、车身异响、用户抱怨1三维数据检查未全面检查、运动校核未考虑实车精度、相关零部件未考虑到位5按《白车身自相关检查表》和《车身运动件运动校核检查表》进行数据校核6303整车外观效果差，无法满足客户需求，影响销售4设计间隙、面差不合理；装调不到位；公差分配不合理；定位方式设置不合理6参照相关车型合理设置DTS定义值，合理设置公差，合理设置定位方式6144数模校核，定位方案确定车身4增加模具费用，增加整车成本，影响利润1设计结构时未考虑后期开发车型的共用性5编制车身开发模块化说明，预先设计拓展车型结构方案6305零部件冲压起皱，翻边开裂，尖角争料，产品结构弱，易变形，尖角拉延破裂冲压负角，件拉延开裂，模具上修边刃口强度不足，影响车身性能5冲压SE分析未到位，钣金结构不合理4按《白车身SE审查报告》进行反馈及数模修改，合理设计钣金结构6120SE分析车身/制造6车身焊接操作性差，工人抱怨、生产率低，焊接效果差，影响车身性能5焊装SE分析未到位，钣金结构不合理4按《白车身SE审查报告》进行反馈及数模修改，合理设计钣金结构，合理布置焊点位置及层次2407车身电泳底漆厚度不均匀、部分区域未充分覆盖底漆、车身锈蚀、影响整车寿命5涂装SE分析未到位，钣金结构不合理4按《白车身SE审查报告》进行反馈及数模修改，合理设计钣金结构，保证涂装效果2408总装件无法安装；车身总装操作性差，工人抱怨、生产率低；零部件维修操作性差5总装SE分析未到位未分析可维修性4按《白车身SE审查报告》进行反馈及数模修改，合理设计钣金结构，合理考虑安装操作空间，进行安装虚拟验证2409影响用户乘车舒适性，影响内部载货空间，用户抱怨3未合理设计钣金结构，钣金侵占内部空间6进行CAE分析，在保证车身性能、安装结构的前提下尽量增大内部空间，可对比标杆设计7126初期确定目标值，后期按照执行，尽量加大内部空间车身/整车10影响用户乘车舒适性，影响内部装卸货方便性，用户抱怨3未合理设计钣金结构，未按人机要求设计6按人机要求设计数据，在保证车身性能、安装结构的前提下尽量改善，可对比标杆设计6108方案阶段确定各相关尺寸，保证后期数据满足要求。

某皮卡白车身模态实验设计白车身作为车辆的关键总成，其模态参数是影响驾驶舒适性的重要指标。

以某款皮卡车为对象，进行试验设计，以期获得白车身的200HZ以下模态的模态参数，皮卡白车身的动态振动特性，为白车身有限元计算模型的可靠性提供依据。

标签：白车身；模态实验；动态特性TB白车身作为车辆的关键总成，其模态参数是影响驾驶舒适性的重要指标。

汽车车型的发展和更新在很大程度上取决于车身结构设计，而车身的结构性能对整车环保、节能及舒适及安全性起着重要作用。

车身受激励后的动态特性是汽车车身结构设计过程中需要考虑的首要问题。

白车身模态试验可以直接对白车身进行全面测试与分析，获得结构的动态特性，并根据得出的车身模态参数，进行结构改进从而解决产品在使用过程中的振动、噪声、疲劳等实际问题。

目前，反映汽车车身动态特性的设计分析，仍然以实车身试验为主、计算机模拟分析为辅。

本文以某款皮卡车为对象，进行试验设计，以期获得白车身的200Hz以下模态的模态参数皮卡白车身的动态振动特性为白车身有限元计算模型的可靠性提供依据。

1实验测量和分析系统建立实验采用单点激振法进行白车身模态实验。

实验对象为某型型皮卡白车身，白车身包括了翼子板、保险杠和顶盖等关键部件。

实验测量分析系统由车身激振系统、振动响应采集系统、车身模态分析及数据处理系统三大部分组成。

其中：（1）激振系统产生与随机信号相符的振动，使车身获得一定的振动量。

它由振动信号发生器、功率放大器和激振器构成；（2）响应采集系统主要采集车身在激振系统作用下产生的响应。

包括力传感器、加速度传感器和信号采集系统；（3）车身模态分析及处理系统主要是模态分析软件由采集系统信号计算车身振动特性。

实验设备选择如表1所示，实验原理如图1所示。

2实验方案设计2.1实验方法以车辆前进方向的反方向为X轴的正方向，前进方向的右方位为Y轴正向，垂直向上为Z轴正向，建立车辆坐标系。

要求X﹑Y﹑Z坐标定义符合右手定则。

某轿车白车身模态试验分析研究张华鑫;童敏勇【摘要】新车型的设计研发过程中应首先考虑的是白车身的动态特性，通过试验得到的动态特性参数能很大程度的改变现有新车型开发周期长、成本高的现状，从而可以尽快的发布以及上市新车型。

通过试验方法对某一款汽车的两种白车身模态进行了分析对比，得到其各项模态性能参数，通过对结果的分析为以后进一步研究白车身NVH性能提供了试验依据。

%Dynamic characteristic should be first considered in the process of design research and development for body-in-white, dynamic characteristic parametersobtained by test can greatly change the long cycle of new model development, the presentsituation ofthe high cost, which can release aswell as the listing of new models as soon as possible.In this paper, two test methodsfor a body-in-white mode are analyzed and compared, the modalperformance parameters are got, analysisof the results can provide experimental evidences for thefurther research NVH performance of body-in-white.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】3页(P107-109)【关键词】白车身;振动;频率;模态试验;结果分析【作者】张华鑫;童敏勇【作者单位】天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222;天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222【正文语种】中文【中图分类】TK4220 引言如今在世界各汽车公司竞争日渐白热化的趋势下，有效的缩短新车型的研发，不断变更新车型研发的方式。

某SUV白车身模态分析及优化设计文章介绍了某SUV车型的白车身模态分析，并针对计算结果对车身结构和布局进行优化，使整车刚度趋于合理。

优化结果显示：优化后结构、刚度更加合理，并且一阶扭转提高了4HZ，车身重量减少1.5KG。

标签：模态分析；结构优化；有限元分析前言现代汽车设计领域，有限元分析得到了广泛的运用。

车身作为汽车的关键总成，其力学特征对整车的动力学特征起关键作用。

车身模态分析则关系到整车刚度、常规震动和车身减重。

实践证明对白车身结构进行有限元分析可以提前发现、避免相关的设计缺陷，及时整改、优化设计。

从而缩短开发周期，节约试验费用。

文章通过对白车身的模态分析对设计进行结构优化，使得车身结构局部模态和整体刚度特征满足模态规划要求。

1 有限元模型有限元分析基本是利用一组离散化单元组集代替连续体机构进行分析，这种单元组集体称结构力学模型。

车身模型建立原则为能反映车身主要力学结构特征和边界约束条件，其次可考虑在保证正确性的基础上对模型进行适当的简化。

模型建立过程需考虑：模型的简化、网络划分、材料属性确定、单元选择及模型的连接与装配。

为此对模型建立进行了如下处理：1.1 模型建立采用了基准尺寸为10mm的QUASD4划分SHELL单元，局部采用了大于3mm的小尺寸划分，在非关键区域几何过度区少量采用了TRIA3单元。

TRIA3单元占总数的比率小于5%。

1.2 孔径6mm～10mm，用方孔代替；孔径大于10mm，保留孔，孔周围两圈偶数个单元，其他非重要小孔可忽略。

1.3 翻边至少要划分两排网格，圆角大于3mm可以保留，螺栓用RIGID或梁连接。

1.4 焊点采用CWELD/ACM单元，方向同连接壳单元法向量平行。

焊缝则采用CQUAD4和CTRIA3模拟，对不考察局部应力的情况下，有选择性采用节点重合，并保证网络的几何匹配。

根据车身提供的数字模型，最终白车身带玻璃有限元模型单元547，219，节点569，580个，见图1。

轿车白车身试验模态与计算模态相关性分析为了确保轿车的安全性和稳定性，汽车制造商需要对车辆的白车身进行模态分析和计算模态分析，以研究其振动特性和动力性能。

本文将分析轿车白车身试验模态和计算模态之间的相关性，并探讨这些分析如何帮助汽车制造商改善车辆设计和生产质量。

试验模态是通过对车辆进行振动实验获得的振动特性，包括自然频率、振动模态等。

这些数据可以帮助汽车制造商确定车辆的动力学性能，并为车辆的噪音、振动和刚度问题提供支持。

相比之下，计算模态是通过有限元分析（FEA）计算得出的振动特性，采用数值模拟来预测车辆振动特性。

这些模拟数据通常会在早期设计阶段用于验证车辆结构设计，并指导车辆生产制造。

然而，在实践中，试验模态和计算模态之间存在某些差异。

主要是由于因受环境和测试装置、误差和测量等多种因素的影响，试验模态和计算模态之间的差异非常常见。

因此，为了确保模态分析的准确性和可靠性，汽车制造商通常需要对试验模态和计算模态进行比较，以确定它们之间的相关性，并查明差异的原因。

为了比较试验模态和计算模态之间的差异，通常需要使用频率响应函数（FRF）。

FRF是车辆振动试验中的一个重要参数，它用于测量车身的振动放大系数，并提供车身以响应不同动力的关键提示。

然后，通过比较试验模态和计算模态的FRF，可以确定它们之间的关系，并为制造商提供有关如何优化车辆的设计和改进生产质量的 information。

最后，需要指出的是，在对轿车白车身进行模态和计算模态的相关性分析时，需要考虑多种因素。

这些因素包括车辆的结构、材料和工艺，噪音、振动、气动特性等方面。

同时，在车辆运营期间，还需要考虑加速度四对噪声、驾驶人员行为特性等诸多因素。

因此，既要考虑到试验模态和计算模态之间的差异，也要综合研究其与车辆实际运作情况之间的关系，以完善轿车的设计和生产质量。

在轿车白车身的试验模态和计算模态的相关性研究中，还需要考虑车辆的不同工况下的振动特性。

某轿车白车身模态有限元分析与试验研究韩阳;李洪力;朱延鹏【摘要】In this paper, setting the body-in-white of a certain vehicle as the study object, finite element analysis on the body-in-white is made, thus the correctness of finite element structure is verified through the modal tests. Furthermore, the finite element structure of body-in-white is optimized by using the distribution characteristics of the displacement nephogram. The results show that the primary frequency of body-in-white is 28. 23 Hz;while the first torsional frequency is 32. 67 Hz and the bending frequency is 45. 14 Hz, so the two frequencies could not cause coupling resonance. By comparing the difference be-tween experiment and the finite element analysis, it is found that the error is in the range of 10%, so the finite element model that was established before is correct. Through the displacement nephogram we can find that the maximum displacement of roof is 5. 427mm at the frequency of 25. 90 Hz, and the maximum displacement of rear roof is 6. 512mm at the frequency of 31. 45 Hz, thus it would affect the comfort, safety and reliability of a vehicle. Therefore, it is necessary to optimize the design of the roof and the top cover.%以某轿车白车身为研究对象,对白车身进行有限元分析,利用白车身模态试验验证白车身有限元结构的正确性。

白车身计算模态分析中的几个简单问题探讨1 引言白车身模态分析是主机厂所有CAE分析项中最简单的，没有之一。

考虑到大家在模态空间公众号中看惯了高深的文章（谭祥军注：博士过奖了！），所以今天给大家换换口味，讨论一下这个最简单的分析项。

在这篇文章里，我们不谈模态分析理论，只探讨几个基本问题：做模态分析的有限元模型该不该带风挡玻璃？根据白车身模态如何估算内饰车身模态？整体弯扭模态如何识别？模态频率的目标值如何设置？模态频率不达标该怎么办？2 白车身模态分析方法白车身模态分析方法几乎人人都会，但为了文章的完整性，我还是坚持把它写出来。

白车身模态分析为自由模态分析，即模型不加任何形式的约束。

分析的频率范围设定为1-100Hz；下限设为1Hz，其目的是避免计算前6阶的刚体模态，以节约计算时间。

通常我们使用NASTRAN软件的SOL103求解序列，算法选用兰索士法（对应卡片为EIGRL）。

结果输出设置中，我们除设定输出位移(DISP)和应力(STRESS)外，还应设定输出应变能密度（ESE）。

在Hypermesh中完成以上操作非常简单；当然也可以将以上设置写成一个Nastran头文件模版，每次分析只要在头文件文本中将模型文件名include一下，无需重新设置。

3 问题之一：究竟应该用BIW还是BIP做模态分析？做白车身模态分析，一般会考虑两种模型。

一种叫BIW, 指焊接车身的本体部分，包括通过螺栓连接的碰撞吸能结构，不包括通过螺栓连接或粘接在车身本体上的玻璃、车门、发动机罩板、天窗、行李箱盖以及翼子板、仪表板支撑横梁等。

另一种叫做BIP，也叫做Glazed BIW，是在BIW基础加上前后风挡玻璃和三角窗，如果天窗玻璃是直接粘在顶棚上不能开启的，BIP还应包含天窗玻璃。

BIW的前几阶整体模态中，通常没有整体扭转模态，而是代之以Match Box模态（即顶盖左右错动模态）。

BIW粘上风挡玻璃后，Match Box模态就不存在了，所以我们很难界定这阶模态跟整车NVH 响应之间有何种关联。

利用白车身振动模态试验对车辆动态设计的评价与分析作者：麻海舰周鋐1.概述随着汽车工业的发展，车辆动态特性的研究越来越引起人们的重视。

汽车车身的动态特性，直接影响到车辆的稳定性和乘员的乘坐舒适性。

但由于汽车车身结构复杂，对它的动态的理论研究显得非常困难。

而运用试验模态分析技术，可以有效并快速地识别出系统的动态参数，进而为产品的优化设计提供实用的信息。

2.车身振动模态测试模态试验是指以测取被测试系统的模态参数为目的所进行的试验。

一般情况下是对被测试系统进行专门设置的激振试验。

通过同时测量系统的输入和输出信号，运用数字信号处理技术，估计出被测系统的频响函数或脉冲响应函数，得到系统的非参数模型。

然后运用不同的参数识别方法，求得系统模态参数。

2.1 试验测试系统及准备试验测量分析系统由试验激振系统、响应拾振系统以及模态分析和处理系统等三大部分组成。

其中(1)试验激振系统包括：激振信号发生器、功率放大器和激振器；(2)响应拾振系统包括压电晶体加速度传感器、力传感器和信号放大和智能采集系统；(3)模态分析和处理系统主要是模态分析软件b。

具体的测试系统如图1所示。

图1 试验测量分析系统联接关系图从上图可以看出，该分析测试系统配置是一台工作站连接一部多通道数据采集前端，数据采集前端以模块化特征为前端，这样可以大大提高测试和分析的能力。

为保证识别出的频响函数具有较好的一致性，并且不遗漏模态。

频响函数测试采用多点全相干激振的方法，即多点同时激振且各激励信号完全相干并具有固定的比例关系。

这样可以保证较高的信噪比，改善输入能量在结构上的分布。

多点全相干激励要求激励信号必须为确定性信号，因此激励信号采用随机触发（burst random）信号，它具有了周期随机信号的所有优点，而且测试速度更快。

为模拟车身的“自由-自由”状态，被测轿车白车身采用悬吊安装方式，要求悬挂绳要足够软，以便保证刚体共振频率远低于第一阶弹性体共振频率（一般要求小于10%），试验中悬挂用的橡皮绳固有频率为2Hz左右，因此可以认为是自由支承。

车辆工程技术56 车辆技术 伴随现代科技快速进步，汽车制造厂商也在日益提升生产能力，相应的汽车结构设计也备受重视。

在汽车设计中，白车身的质量至关重要，与整车质量直接相关。

而伴随先进计算机技术的广泛普及和快速发展，在白车身结构设计中，也越来越多地用到计算机辅助技术。

尤其是模态分析法，可以促进白车身结构设计的优化及汽车产品质量的进一步提升，值得加以分析探讨。

1　模态分析 （1）重要作用。

通过模态分析，可以得出白车身的实际一阶频率，再与发动机怠速条件下的激励频率比较，便能判断结构的共振问题，以防增大车身振动或噪声，并且供结构优化参考。

最后，利用试验中尚未模态分析对比验证，还能深入分析白车身优化模型的可信度。

在本文中，已经固定了车型外形、材料等，所以考虑通过优化厚度，来模态优化白车身结构。

针对白车身，采用一阶模态频率，来分析车身零部件质量灵敏度及板厚的模态，以及板厚、结构一阶频率、灵敏度模态间存在的关系，并得出结构优化中涉及的零部件，再通过一定的算法，来优化白车身模态。

（2）分析研究过程。

通过分析灵敏度，能针对某部位，得出最有效的结构修改方法，并且初步估计出，期望动态改变所要修正的区域。

根据灵敏度理论，算出白车身结构模态分析下，固有一阶频率与汽车质量在零部件板厚上的灵敏度结果。

据以上灵敏度分析显示，通过强化后门框，能最明显地增大结构的固有一阶频率，而通过强化后裙板，也可以得到明显增大的效果，并且外板的效果优于内板。

而分析结果还显示，通过加强后门框支柱的板件，却会影响固有一阶频率的改善。

这样的板件主要包含顶棚、后翼子板、后侧围板等。

通过进一步分析，得出了一阶模态下的正负灵敏度板件分别图。

此外，通过更改不同板件厚带给车身质量的具体影响，也通过模态分析得出。

因为要顾及对白车身适当轻量化的要求，所以为了增大固有一阶频率，不可直接强化对增大固有一阶频率贡献最大的结构板件，而应注意与其质量灵敏度相结合，也适当修改贡献不大的板件，以此来通过增大固有一阶频率来达到白车身质量上的要求。

2.07×10MPa，泊松比取μ=0.3，密度取ρ=7.83×10Ton/mm。

图1白车身有限元模型1.4白车身连接方式轿车白车身上大约有4000多个的焊点，一般由车身的六大部件焊接成型，包括地板总成、左右侧围、顶盖、下程为：式中：M、C、K分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵；为用物理坐标描述的位移列阵，ẋ（t）为用物理坐标描述将式1）两边通过拉氏变换可得令得其中Z（s）称为阻抗矩阵，代替s进行博氏域处理可得设有一点l，则可得其相应表达式如式（7）其中q r（ω）为阶模态坐标，φl r为测点动系数，N个测点的各阶振动系数组成向量，称为态向量。

由式（8）（9）（10）可得:将式（11）代入式（4）可得:自由振动，F（x）=0，C忽略不计，其运动微分方程可简化为式（13）的解得形式为将式（14）代入式（13）得故该方程有非零解的充要条件是其系数行列式为零，式（16）是特征值问题式的n次代数方程。

1459.09图2白车身第七阶模态振型云图3.2模态结果分析对车身结构的振动影响最大的因素是整车一阶弯曲模态频率与车身结构的整车一阶扭转模态频率，应着重考虑其影响。

因此应保证两者模态频率值至少相差3Hz，以防止一阶扭转模态频率与一阶弯曲模态频率相近或相等而出现耦合现象。

由表2所示，一阶弯曲模态频率与车身一阶扭转模态频率相差大于3Hz，可以防止发生耦合现象，所以设计符合要求。

4结论对某乘用车白车身通过Hyper Mesh软件来建立了车身结构有限元模型，分析了白车身结构模态特性，从而确定了白车身的振型和固有频率，得出了以下结论：①经过分析白车身结构模型一阶模态频率应该大于30Hz，而模态分析中白车身结构的一阶模态频率36.30Hz，设计符合要求。

②经分析白车身车身结构模型，得到一阶弯曲模态频率与一阶扭转模态频率数值相差大于3Hz，可以有效防止图3白车身第八阶模态振型云图图4白车身第九阶模态振型云图图5白车身第十阶模态振型云图图6白车身第十一阶模态振型云图心式旁通滤清器。