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AUTO TIME43FRONTIER DISCUSSION | 前沿探讨时代汽车 基于CAE 仿真技术的白车身动刚度分析优化吴亚萍1 秦丽萍２ 曾乐彬２1.上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 5450072.湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司 广西柳州市 545007摘 要： 人们对汽车车内噪音舒适性评价越显关注。
车辆的NVH 性能正在成为汽车开发过程中的最重要指标，白车身动刚度作为NVH 性能关键指标之一，具有重要意义。
本文以某车型为研究对象，阐述了白车身动刚度基本分析过程，并选取后悬减震器接附点动刚度为优化对象，通过CAE 仿真技术，识别后悬减震器接附点动刚度不足的主要原因并进行优化，实现了该车身NVH 性能提高。
关键词：NVH 动刚度 模态分析 ODS 诊断1 引言随着车辆普及及国民经济发展，人们对汽车车内噪音舒适性越来越关注。
各车企对汽车的NVH 性能开发也越显重视，NVH 性能成为了汽车市场竞争力的关键因素。
NVH 是指噪音Noise、振动Vibration、舒适性Harshness。
汽车NVH 特性是指在车身振动和噪音的作用下，乘员舒适性主观感受的特征。
它是人体听觉、触觉以及视觉等方面的综合表[1]。
车身分析为整车路噪分析的基础。
车身承受着各子系统结构，以及来自车路面激励及各装置系统的各种载荷激励。
车身结构分析是NVH 性能分析的基石，车身结构对整车性能有着重要影响。
白车身动刚度分析是车身分析的重要指标之一，动刚度性能的好坏体现了汽车系统隔振性能的优劣。
如果车身上关键接附点动刚度不足，容易引起车身结构振动，引起结构声传递大问题。
所以车身关键接附点的动刚度分析显得非常重要。
本文以某车型分析研究为例，阐述了白车身关键接附点动刚度的分析过程。
通过有限元建模，模态分析及模型校对，关键接附点动刚度仿真分析等CAE 仿真技术确定车型动刚度状态，其次针对后悬减震器接附点动刚度不足问题，通过ODS 工作变形分析，应变能分析等手段进行原因分析优化。
编号：QQ-PD-PK-066白车身弯曲刚度分析报告项目名称：QQ458321486编制：日期：校对：日期：审核：日期：批准：日期：XX汽车有限公司2013年03月目录1分析目的 (1)2使用软件说明 (1)3有限元模型建立 (1)4白车身弯曲刚度分析边界条件 (1)5分析结果 (3)6结论 (10)1分析目的车身是轿车的关键总成，除了保证外形美观以外，汽车设计工程师们更注重车身结构的设计。
车身应有足够的刚度，刚度不足，会导致车身局部区域出现大的变形，从而影响了车的正常使用。
低的刚度必然伴随有低的固有频率，易发生结构共振和声响。
本报告以QQ白车身为分析对象，利用有限元法，对其进行了弯曲刚度分析。
2使用软件说明本次分析采用Hypermesh作前处理，Altair optistruct求解。
HyperMesh是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包，也是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成了设计与分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面，与多种CAD和CAE软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能；Altair Optistruct是一个综和隐式和显示求解器于一体的大规模有限元计算软件，几乎所有的线性和非线性问题都可以通过其进行求解。
Altair Optistruct最强大的功能是其友好的CAO接口，通过Altair Optistruct可以进行任何形状、尺寸、拓扑结构的优化，采用固定的内存分配技术，具有很高的计算精度和效率。
3有限元模型建立根据设计部门提供的白车身的工艺数模建立QQ的计算模型，对模型进行了有限元离散处理：白车身所有零部件都采用板壳单元进行离散，并尽量采用四边形板壳单元模拟，少量三角形单元以满足高质量网格的过渡需要；粘胶用实体单元模拟，焊点采用CWELD 和RBE2单元模拟。
其中四边形单元469700个，三角形单元15543个，三角形单元比例3.4%。
车身连接点动刚度分析与NVH性能改进研究车身连接点动刚度分析与NVH性能改进研究汽车结构的主要部分是车身结构，而车身结构的动刚度是评估汽车NVH性能的重要指标之一。
车身连接点的动刚度对汽车的NVH性能有重要影响。
因此，本文将研究车身连接点动刚度分析与NVH性能改进。
1、车身连接点动刚度分析车身连接点动刚度是指在汽车行驶时，由于悬挂系统抵消车身上的不良振动所产生的剧烈影响。
此外，它还包括车体和底盘的构造和设计，以最大程度地减少噪声、振动和硬度的传递。
在设计车身连接点时，需要考虑到连接点的材料、形状、尺寸等。
合理的材料选择和结构设计能够有效地改善车身连接点的动刚度，从而降低噪声、震动和硬度的传递。
汽车的车身连接点主要包括悬挂连接点、发动机安装点、传动系连接点等。
对悬挂系统的连接点的动刚度进行分析和优化，能够有效降低路面颠簸所带来的体验。
对发动机安装点和传动系连接点的动刚度进行分析和优化，能够有效降低发动机运行时带来的振动和噪音。
2、NVH性能改进NVH性能与车身连接点的动刚度密切相关。
在降低车身连接点的动刚度的同时，可以进一步改善汽车的NVH性能。
要改进汽车的NVH性能，需要采取一系列措施。
首先，优化车身结构设计，包括悬挂系统、车架、车门等，在减少振动、噪音和硬度传递的同时，还需保持车身结构的强度和刚度。
其次，采用高性能的材料，如复合材料、高韧性钢材等，以提高车身结构的动刚度。
这可以显著减少车身振动和噪声，提高汽车的行驶舒适性和NVH性能。
最后，可以采用主动或被动隔音措施，如隔音材料和减震器等，来进一步改善汽车的NVH性能。
这些措施可以有效降低车内噪音和振动，提高乘坐舒适性。
总之，车身连接点动刚度分析与NVH性能改进是提高汽车运行安全性、舒适性、节能性和环保性的关键环节。
对车身连接点的动刚度进行合理的分析和优化，可以显著提高汽车的NVH性能，使其更加符合用户需求和市场需求。
3、车身连接点动刚度分析方法在车身连接点动刚度分析方面，可以采用有限元方法进行计算。
白车身扭转刚度分析方法对比-顺便谈谈蔚来ES81概述在上一篇文章《白车身弯曲刚度分析方法对比》中，我们介绍了白车身弯曲刚度分析方法，在这一篇文章中我们将接着介绍扭转刚度分析方法。
因为同属车身刚度分析，所以本文重复了上一篇的少部分文字。
好在两篇文章都是本人所作，并不涉嫌抄袭。
白车身刚度是整车设计的一个重要指标，它决定了车辆在外力作用下抵抗变形的能力。
白车身刚度与整车多项性能均有关联，例如耐久性能、碰撞安全性能、操稳性能和NVH性能等。
通常我们主要关注两个车身刚度指标，即弯曲刚度和扭转刚度。
当前的主流设计趋势就是在控制成本和重量的前提下，尽量将车身弯扭刚度提升。
对于乘用车而言，白车身的扭转刚度相比弯曲刚度更值得关注。
白车身的失效形式以扭转疲劳为主，当扭转刚度不足时，车身在外力作用下将发生较大的扭转变形，反复加载后局部薄弱点就可能疲劳破坏。
如果车身扭转刚度不足，行驶时车身变形较大，可能导致整车各部件之间发生摩擦异响；尤其是背门框和侧门框会产生较大的洞口变形量，影响车辆动态密封性能。
白车身扭转刚度对整车操稳性能也有明显影响。
白车身扭转刚度还是白车身轻量化程度的重要表征。
国际上流行的一个重要的车身设计指标—轻量化系数，就是根据白车身扭转刚度、白车身质量、轴距和轮距计算得到的。
相比白车身弯曲刚度分析方法，扭转刚度分析方法还不算特别混乱，但也存在很多不一致的地方。
本文将对国内汽车业内常用的几种白车身扭转刚度分析方案作对比分析。
在本文的末尾，还将对最近热度非凡的蔚来ES8白车身扭转刚度数值进行简单的点评。
2有限元模型对比虽然名称叫白车身扭转刚度分析，但所用的白车身有限元模型并不一定是传统意义的BIW模型。
有些主机厂所分析的模型是BIW，有些则是BIW加风挡玻璃也就是所谓的BIP模型。
对于电动车而言，分析模型还可能是BIW+电池包，或者BIP玻璃+电池包。
其中BIP模型使用的最为广泛。
上面所提到的BIW，指的是焊接或者铆接车身的本体部分，不包括四门两盖、仪表板支撑横梁、翼子板等部件以及粘在车身的玻璃。
轿车白车身连接头结构的刚度分析与研究连接头是白车身框架结构中的重要组成部分,起到了平稳过渡的作用,若忽略连接头的柔性将其刚性处理,则会额外地增加白车身的刚度,同时连接头的刚度也是影响白车身刚度的重要因素之一,故有必要对白车身连接头进行探究,进而为白车身的设计提供参考。
本文以承载式白车身为研究对象,在白车身有限元模型的基础上分析了白车身的动静态性能,充分考虑连接头柔性的前提下计算了连接头刚度,探究了连接头刚度的评估方法,并对白车身七个连接头模型的刚度进行了评估,探讨了连接头与白车身动静态性能之间的关系,得出不同连接头对白车身动静态性能的影响。
本文首先以有限元模型建模原则为基础建立了白车身有限元模型,计算弯曲刚度、扭转刚度、一阶弯曲模态和一阶扭转模态,并对其进行评估得出本款白车身有良好的弯曲刚度,扭转刚度不足,模态分布合理,而一阶扭转模态偏低易于与发动机激励频率耦合而产生共振,通过灵敏度分析总结出对白车身动静态性能有重要影响的部件。
接着截取白车身的七个连接头有限元模型,探究接头结构的力学特性,计算分析得出接头角位移矩阵存在耦合现象,为了消除接头模型的耦合现象,进一步探究了接头的解耦方法及其柔性,从而得到了连接头的前后弯曲刚度、扭转刚度和内外弯曲刚度。
随后探究了评估连接头刚度的方法,建立未刚性与刚性接头有限元模型,计算不同连接头各分支的刚度比值系数,进而评估了七个连接头模型各分支的前后弯曲刚度、扭转刚度和内外弯曲刚度的强弱,同时整体比较了所有连接头分支在同一刚度条件下的强弱情况,总结得出在前后弯曲刚度下、内外弯曲刚度下、扭转刚度下刚度比值系数高和低的连接头分支。
最后探究了连接头与白车身动静态性能之间的关系,通过区域灵敏度分析和应变能计算得出不同连接头对白车身动静态性能的影响,总结出对动静态性能影响大的连接头作为白车身性能改进的参考。
白车身接附点动刚度优化设计白车身接附点动刚度优化设计随着车辆制造技术的不断发展，汽车的安全性能、舒适性能以及使用寿命等方面的要求越来越高，白车身的接附点动刚度优化设计成为了一项非常重要的工作。
接附点动刚度是指车辆受力后在车身车轮接触点产生的位移值与施加的受力的比值，通常也叫做车辆的高速稳定性。
以下介绍一些常见的白车身接附点动刚度优化设计方法。
1、轻质化设计将白车身轻量化是提高接附点动刚度的一种有效方法。
在设计过程中，可以采用高强度钢材、铝合金、碳纤维等轻量化材料来替换传统材料。
轻质化设计不仅可以减少车身重量，提高燃油经济性，而且可以提高车身的接附点动刚度。
2、前后轴重分配设计这是一种有效的设计方法，通过将车辆的前后轴荷载比例调整，使得车辆在行驶时的重心更加稳定，同时减小了车辆的滚动摆动。
前后轴重分配设计需要将引擎舱、乘员室等设备布置合理，实现前后轴重量分配的最佳状态，从而使车辆的接附点动刚度得到优化。
3、悬挂系统设计悬挂系统是车辆接收路面振动的关键部件，同时也是影响车辆接附点动刚度的重要因素。
在设计悬挂系统时，可以通过合理选择弹簧、避震器的硬度和减震器参数来优化车辆的接附点动刚度。
合理设计的悬挂系统可以使车辆在行驶时获得更好的稳定性。
4、结构优化设计通过优化白车身各组成部分的结构设计，有效地提高车辆的接附点动刚度。
例如，在车辆的底盘结构设计中，合理设计受力部位的加强筋和连接结构，可以有效地提高接附点动刚度。
另外，在车辆前后桥结构优化设计中，可以通过增加连接点的数量和降低连接点之间的距离等措施来提高接附点动刚度。
总之，白车身接附点动刚度是汽车制造中非常重要的一项指标，对于提高车辆的安全性能和使用寿命都有非常重要的意义。
通过合理运用以上设计方法，对白车身接附点动刚度进行优化设计，可以为汽车的制造企业提供更加优质的汽车产品，同时满足消费者不断提高的需求。
除了以上介绍的一些常见的白车身接附点动刚度优化设计方法，还有一些其他的设计方法可以帮助优化车辆的稳定性和运行平稳性。
式（1）中：F为激励向量；X为响应向量；M为质量矩阵；C 为阻尼矩阵；K为刚度矩阵。
式（2）中：K dia、M dia和C dia分别为主刚度矩阵、主质量矩阵和主阻尼矩阵。
对式（2）进行展开，可以求得第r阶模态对应的解为：
假设对单点p进行激励力为F，对单点L点进行响应分析。
其中
通过式（4）中得到：
通过（7）式，从而可以得到响应点L与输入点P之间的频响函
当响应点L与输入点P为同一点时，式（8）就变为原点的频响
基于模态频率响应的理论，响应点的动刚度（位移幅值）即为
图1 轻量化前的后减振器安装点周围结构图
图2 轻量化后的后减振器安装点周围结构图
图3 后减振器接附点的频率与X、Y、Z向加速度曲线图
图4 117.04 Hz、121.38 Hz、117.42 Hz模态振型Y向幅值云图
图5 121.38 Hz、122.97 Hz 、119.72 Hz模态振型Z向幅值云图
（下转第174页）
图6 后减振器接附点的结构优化图
3 结束语（1）采用模态参与因子法对后减振器接附点动刚度进行优化，使其满足与轻量化前的动刚度要求。
（2）模态参与因子法的应用，提高动刚度的优化效率，可广泛应用于NVH性能优化分析。
（3）本文仅通过仿真手段横向对比优化，其优化结构尚未进图7 优化后减振器接附点的频率与X、Y、Z向加速度曲线图图5 工装增加基准图示。
K01设计开发项目白车身刚度分析报告（☑初版/□更改）重庆迪科汽车研究有限公司二〇一五年十月1.数据记录✧初始模型白车身（BIW）✧更改情况无2.分析内容（1）白车身弯曲刚度分析（2）白车身扭转刚度分析3.模型简述✧使用软件前处理：Hypermesh；求解器：Radioss✧建模过程网格划分白车身结构可分为五个总成：顶盖、地板、侧围、后围和前围，依次对各总成进行有限元模型的建立，再将其焊接为一整体。
建立白车身有限元模型的步骤包括几何模型分析、几何清理、模型简化、网格划分、单元质量检查、设置材料和单元属性、各部件焊接等。
由于白车身主要是由大的钢板覆盖件组成，其厚度尺寸远远小于其他尺寸，故白车身网格选用PSHELL的壳单元形式。
采用各总成逐个划分、连接，再总装的方式进行整车的有限元建模。
据工程实践和硬件条件，选取有限元网格的大小为8mm。
根据前面所述的几何清理原则，选用8mm的壳单元网格对各总成进行离散化，建立各总成对应的有限元模型如图3.1——图3.5所示：图3.1 车顶总成的有限元模型图3.2侧围总成的有限元模型图3.3后围总成有限元模型图3.4地板的几何及有限元模型图3.5前围的几何及有限元模型白车身各部件连接白车身大部分零部件是薄板冲压件，各零部件之间主要是通过焊接工艺实现连接，本次运用了点焊、缝焊等。
根据所提供的焊点图，在Hypermesh中通过运用spot-weld单元来把各板件焊点位置的节点连接起来，以此来模拟实际的焊点。
焊点材料选用08AL，焊点直径为7mm。
焊接完成后，焊点周围单元的质量可能会变差，通常需要对这些单元进行重新划分。
有限元焊接结果如图3.6所示图3.6 有限元焊接效果图由于工艺和部件性能的要求，在顶盖与顶盖横梁处，运用了粘胶连接。
本次分析采用了软件的粘胶连接来实现这些有限元部件的连接，通过这样的处理能更好的模拟结构的实际性能。
有限元粘接效果如图3.7所示。
图3.7有限元粘胶连接效果图在前围总成中还采用了螺栓连接，这主要是一些不需永久连接、进行更换的部件。
白车身刚度设计原理介绍A柱，B柱，C柱，D柱、顶架以及结合点对整车的刚度起到十分重要的作用。
较弱的局部结合点会破环整车的刚度。
根据弯曲模型，确保A/B/C柱、上侧梁（Cantrail）以及平台（Platform）有良好的连结性。
车身框架（frame work）的设计标准：1.直梁，局部无弱化截面，横梁需要承载载荷。
2.尽可能使用封闭圆形或者矩形截面3.横梁连结处需要采用刚性耦合好的设计是直截面和刚性连接。
梁截面应承载载荷。
避免局部切口或其他减弱连结点，使结构效率最大化。
在重要的连结处采用可靠的截面，以避免在受到载荷时发生偏转和扭矩。
载荷需要加载在中性梁上，避免产生扭矩。
不要梁结构在面板上断开，因为这样会把力传递到关键区域并产生异响。
C柱内圈（C pillar inner ring）:从顶棚到衣帽架钣金处是连续的钣金面板连结。
C柱外圈：从顶棚到轮罩以及地板有良好的刚性连结，避免有应力集中。
图中断面12的断面是C柱区域，聪截面可以看出，C柱的截面尺寸较大并加有加强结构。
衣帽架横梁是一根连续的梁结构连结到侧梁。
当仔细观察衣帽架区域的Y0断面，可以发现：断面尽量是封闭截面。
如果不可避免的要加孔的特征，孔尽量是独立的，尺寸尽可能小，避免出现在前截面处。
如果孔必须出现在前截面上，可以通过增加额外的小支架增强局部的强度。
衣帽架区域：一个环形结构连结衣帽架钣金、轮罩和地板。
奔驰S级以及宝马7系还额外加了一块加强板。
通过观察顶棚Y0截面，可以发现截面的连接处都有加强结构。
通过观察行李箱环状钣金（trunk ring）环状部位，可以发现结构连续且强健，侧梁与行李箱环状钣金都有连接关系。
白车身接附点局部动刚度分析肖攀 周定陆 周舟长安汽车股份有限公司汽车工程研究院白车身接附点局部动刚度分析BIW INPUT POINT INERTANCE ANALYSIS肖攀 周定陆 周舟(长安汽车股份有限公司汽车工程研究院，重庆401120)摘 要: 白车身接附点的局部动刚度对整车的NVH性能有较大的影响，是在整车NVH分析中需要首先考虑的因素。
MSC Nastran对于整车的中低频NVH分析有一套完整的解决方案，本文中的IPI分析是其中的一种方案。
关键词:白车身，有限元，接附点，动刚度，源点导纳Abstract：The local dynamic stiffness of attaching points is the key point to NVH performance of a vehicle, and it should be considered first in NVH analysis. MSC Nastran can provide a series of solutions for normal frequency NVH analysis of total vehicle, and IPI analysis in this paper is one of these solutions.Key words: BIW, CAE, NVH, IPI, MSC Nastran1 前言随着消费者对汽车的要求越来越高和对汽车认识的成熟，汽车的NVH性能也成消费者非常关注的性能指标之一。
NVH测试试验虽然是一种必不可少的可靠的方法，但有滞后的缺点，必须要在样车完成之后才能进行试验并发现问题，然后解决问题。
如果问题严重，还将带来开发周期的延长和巨额的设计变更费用，增加开发成本。
整车NVH性能的CAE分析方法，其优点在于可以在没有实物样车的工程化设计阶段，较为准确地评价整车的NVH 性能，并提出改进方案，尽可能在设计阶段解决车身结构及包装上可能存在的NVH问题。
白车身局部固定点刚度评价方法1 概述车身在开发过程中，如果白车身局部固定点刚度不足，与白车身局部固定点相连接的附件、总成的稳定性会受到影响，比如车门铰链固定点刚度不足会导致车门下沉，久而久之会对车门的气密性产生影响（卡车车门下沉的现象非常普遍）。
若后视镜固定点刚度不足，车辆在高速行驶或颠簸路况时后视镜会有抖动现象，导致驾驶员的后视效果不稳定而出现安全隐患。
如果前围板、天窗、仪表板、转向柱等车身附件总成固定点刚度不足，会导致车辆在运行过程中产生各种异响及振动噪声等等，这些现象都会导致驾驶员疲劳及烦躁等，所以如何避免由白车身局部固定点刚度不足而影响车身使用安全性和使用舒适性的问题有非常重要的意义。
目前在评价白车身局部固定点刚度的验证手段中，主要有CAE 模拟试验验证、物理试验验证两种方法。
由于厂家和工程人员的不同，评价标准一直未能统一。
同时在实际的验证过程中，由于诸多干扰因素的存在，验证人员得到的试验结果往往不能一致，甚至有时差别较大。
两种验证方法的脱钩现象说明，目前的CAE 试验、物理试验从验证条件、验证方法、和结果评价方面还有待完善，需要进一步做相应改进。
本文主要从车身及其附件的基本特性进行论述，以白车身及其附件的局部固定点刚度计算为例，对传统的CAE 模拟试验验证、物理试验验证白车身局部固定点刚度的方法做一些基本讨论，同时提出一种新的CAE 模拟试验验证方法。
以此为设计人员在设计过程中提供有效的建议，使其对白车身的设计更加合理规范，以避免车身在使用过程中因局部固定点刚度不足而带来不必要的损失。
2 传统在车身开发阶段局部固定点刚度的评价方法以卡车驾驶室前车门铰链固定点刚度分析为例 2.1 CAE 模拟方法模型截取方法及边界条件约束方式为悬置处全约束，载荷为每个螺栓孔分别施加X 向、Y 向、Z 向各单位载荷的力，。
车身接附点IPI分析1概述IPI(Input Point Inertance) 分析即源点导纳分析，也叫源点动刚度分析。
该分析是频响分析的一种，在结构某个点上施加单位简谐激振力，测得该点的加速度响应或位移响应，根据响应幅值的大小来评价该位置在动载荷作用下的局部刚度。
对于车身而言，IPI分析考察的是它的接附点。
所谓接附点，指的是车身与悬架系统或者动力传动系统发生柔性连接的位置。
请注意必须是柔性连接，比如液压悬置、橡胶衬套、橡胶吊挂、球头等。
这些柔性连接部件的刚度远远低于两侧的结构，令两侧结构振动的传递在此处中断。
这就意味着我们可以将这些柔性连接断开，将车身隔离出来单独研究，车身各接附点就是车身所受激励的作用点。
如果车身跟某部件采用的是螺栓或铆钉等刚性连接，则此处不能作为车身接附点，必须将车身跟该部件一起进行IPI分析。
比如副车架，如果跟车身螺栓连接，我们分析车身IPI时，车身模型必须包含副车架；如果副车架跟车身是橡胶衬套连接，我们就可以分析不带副车架的车身模型，当然通常这种情况下我们会对含副车架的车身和不含副车架的车身分别进行接附点IPI分析。
2车身接附点的定义如图1所示，我们所分析的接附点包括弹簧接附点、减振器接附点、动力总成悬置接附点、副车架接附点、连杆接附点、稳定杆接附点、摆臂接附点、副车架接附点和排气管吊挂点等。
图1 车身IPI分析接附点定义通常对每个接附点分别施加X、Y、Z三个方向的激励载荷。
为了能跟试验进行对标，需考虑试验的实际情况，保证加载方式跟试验一致。
对于有螺栓的接附点，试验一般是在螺栓上加激励，因此在有限元分析中这些接附点需要用RBE2+Bar的方式建立螺栓模型，并在螺栓上施加载荷。
试验施加螺栓轴向激励时通常是加载到螺栓端部，施加螺栓径向激励时通常是加载到螺栓中部，在有限元模型中也需要按这种方式加载。
没有螺栓的接附点也需要考虑试验可行性来确定加载点位置。
例如如2所示的前减震器接附点，试验时是使用一金属刚性圆盘，用螺栓连接减震塔的3个螺栓孔，然后在圆盘中心施加激励，所以有限元建模时用RBE2模拟刚性圆盘，RBE2连接到三个螺栓孔，在RBE2的中心施加激励。
白车身接附点局部动刚度分析
肖攀 周定陆 周舟
长安汽车股份有限公司汽车工程研究院
白车身接附点局部动刚度分析
BIW INPUT POINT INERTANCE ANALYSIS
肖攀 周定陆 周舟
(长安汽车股份有限公司汽车工程研究院，重庆401120)
摘 要: 白车身接附点的局部动刚度对整车的NVH性能有较大的影响，是在整车NVH分析中需要首先考虑的因素。
MSC Nastran对于整车的中低频NVH分析有一套完整的解决方案，本文中的IPI分析是其中的一种方案。
关键词:白车身，有限元，接附点，动刚度，源点导纳
Abstract：The local dynamic stiffness of attaching points is the key point to NVH performance of a vehicle, and it should be considered first in NVH analysis. MSC Nastran can provide a series of solutions for normal frequency NVH analysis of total vehicle, and IPI analysis in this paper is one of these solutions.
Key words: BIW, CAE, NVH, IPI, MSC Nastran
1 前言
随着消费者对汽车的要求越来越高和对汽车认识的成熟，汽车的NVH性能也成消费者非常关注的性能指标之一。
NVH测试试验虽然是一种必不可少的可靠的方法，但有滞后的缺点，必须要在样车完成之后才能进行试验并发现问题，然后解决问题。
如果问题严重，还将带来开发周期的延长和巨额的设计变更费用，增加开发成本。
整车NVH性能的CAE分析方法，其优点在于可以在没有实物样车的工程化设计阶段，较为准确地评价整车的NVH 性能，并提出改进方案，尽可能在设计阶段解决车身结构及包装上可能存在的NVH问题。
为最后得到NVH性能优良的汽车，在设计阶段就打好良好的基础。
利用现有软件MSC Nastran，可以对整车的中低频NVH性能进行有效地分析及评价。
其中，IPI（Input Point Inertance）分析是评价NVH性能的重要分析方法之一，是用于考察车身与发动机、悬架连接的接附点的局部动刚度这一个重要指标。
白车身接附点局部动刚度所考察的是在所关注的频率范围内该接附点局部区域的刚度水平，刚度过低必然引起更大的噪声，因此该性能指标对整车的NVH性能有较大的影响，是在整车NVH分析中需要首先考虑的因素。
2 分析模型
由于IPI分析是考察白车身的各接附点局部刚度，因此分析对象包括白车身上的弹簧接
附点、减振器接附点、发动机接附点等所有的接附点。
在实际的分析中，由于车身结构左右侧结构基本对称，因此只需分析一侧的接附点即可。
3 分析理论 源点加速度导纳：()a 2
a 22K f 2K F x F a IPI πωω==== （1） 其中 ：
x /F K a =为接附点动刚度；为加速度；圆频率x a 2ω=f 2πω=
IPI 分析得到的响应曲线如图1所示。
计算得到IPI 曲线所包围的面积，则有：
∑∑∑Δ=Δ=Δ=i i a i a i i i IPI f K f f K f f IPI AREA 222244*ππ （2）
得到该接附点的动刚度：
IPI i a AREA f f K ∑Δ=2
24π （3）
根据式（3）作出动刚度曲线如如图2所示，该曲线所包围的面积等于IPI 响应曲线所包围的面积。
通过与动刚度目标值比较来评价各接附点的动刚度水平。
图1 IPI 分析响应曲线及其所包围的面积
图2 动刚度曲线所包围的面积
4 分析方法
用于IPI分析的白车身分析模型无约束，为自由状态。
将每个接附点的每个方向（X、Y、Z）的激励载荷定义为一个载荷工况，载荷为1N的集中力，频率范围为所关注的中低频率，同时将激励点定义为响应点，且响应自由度与激励自由度相同，例如Z向单位激励的响应输出为Z向加速度。
图5为接附点的激励载荷示意。
X向
Y向
Z向
图5 接附点激励载荷定义
由IPI分析得到一个接附点某方向的响应曲线，如图6-7中的曲线“IPI”，根据前面的公式计算得到该点的动刚度Ka，再根据动刚度目标值Kd得到一条IPI格式的Kd曲线。
该接附点的动刚度评价标准为：1、Ka值大于Kd值；2、然后将该点的IPI曲线与Kd曲线比较，如果IPI曲线在Kd曲线下方，则表示该接附点在该方向的动刚度满足目标值，对于IPI 曲线上某些超出Kd曲线的峰值则需要重点关注。
引起某个频率的响应峰值的原因是该频率下的刚度过低，但并不一定是该接附点的附近局部区域的刚度过低引起，因此需要利用直接频率响应分析、灵敏度分析等方法找到引起该响应峰值的刚度较低的部件或局部区域，通过优化改进该部件或局部区域的刚度来降低该响应峰值。
4.4 分析结果
以下为某车型的某个接附点的动刚度分析优化过程。
通过IPI 分析，得到该接附点的IPI 曲线和动刚度Ka ，Ka 能够满足动刚度目标值Kd ，但从IPI 曲线上可以看出，有4个响应峰值需要改进，图6为该接附点的Z 向IPI 分析结果曲线。
通过直接频率响应分析，发现引起其中2个频率上的响应峰值都是由同一个局部区域较低的刚度引起，在与设计部门讨论并确定了5种改进方案并经IPI 分析后发现，第5种改进方案能较明显地降低这2个频率的响应峰值，并且在关注频率范围内动刚度都有显著提高。
图7为方案5（绿色虚线）与原方案（红色实线）在该接附点Z 向IPI 曲线比较，
运用相同的方法，可以逐个对每个接附点的每个方向的动刚度及响应峰值进行优化、改进。
图6 某接附点Z 向IPI 曲线
原方案
峰值降低
峰值降低 改进方案
图7 某接附点改进方案的IPI 曲线比较
5 结论
运用基于MSC Nastran的IPI分析方法可以考察车身结构对于整车的中低频NVH性能的影响，并可指导用于改进整车NVH性能的车身结构的优化措施，在设计阶段解决潜在的NVH问题。
车身接附点的动刚度对于整车NVH性能有直接的影响，需要首先关注；
IPI分析通过运用频率响应方法分析接附点的源点导纳响应来评价局部动刚度；
IPI分析只用于评价接附点的动刚度水平及发现关注频率范围内的响应峰值。
影响接附点动刚度的因素并不局限于该点附近结构区域的刚度，要找到引起动刚度较低或响应峰值的原因，需要运用直接响应分析或灵敏度分析等方法来确定在该频率下刚度最低的局部结构。
6 参考文献
[1] MSC Nastran Quick Reference Guide
[2] 马大猷.现代声学理论基础.北京：科学出版社
[3]〔澳〕M.P.诺顿.工程噪声和振动分析基础.北京：航空工业出版社。
