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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。
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。
编号： -PD-PK-064白车身模态分析报告项目名称：458321486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3月目录1.分析目的 (1)2.分析软件简介 (1)3.分析模型建立 (1)3.1网格描述 (1)3.2边界条件 (2)4.分析结果与对比 (2)5 结论 (2)附录：白车身模态分析振型图 (3)白车身模态分析报告XX 汽车有限公司1.分析目的作为动力学分析的基础，模态分析是用于确定设计结构振动特性的，即确定结构的固有频率和振型。
对白车身进行模态分析就是使其结构在设计中尽量避免共振和噪声，加强其稳定性和安全性，同时计算方法与结果也可为实车试验提供参考和依据。
本报告采用有限元方法对白车身进行了模态分析，目的是考察其固有特性是否满足设计要求。
2.分析软件简介本次分析采用 Hypermesh 作前处理，Optistruct 作为求解器。
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。
3.分析模型建立3.1网格描述对车身设计部门提供的白车身 CAD模型进行有限单元离散， CAD模型以及有限元模型如图 3.1 所示。
白车身所有零部件均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，网格描述见表 3.1 。
图 3.1 白车身 CAD 以及有限元模型表3.1网格描述单元类型四边形单元三角形单元单元数目46970015543三角形单元比例 3.4%焊接模拟CWELD单元涂胶模拟实体单元单元质量良好（按公司单元质量标准检查）3.2边界条件自由模态，无任何约束。
4.分析结果与对比对白车身的振动响应影响相对较大的激励频率多集中在低频域，本报告分析了前15阶频率振型，如表 4.1 所示。
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。
白车身模态分析与识别
Analysis and Identify of Body In White
刘红，朱凌，门永新
吉利汽车研究院，浙江杭州 310000
摘要：白车身的模态分析可以通过试验和CAE两种途径进行。
试验虽然能相对真实地反应试验车辆
的性能，但周期长、成本高且干扰因素多。
CAE仿真分析白车身模态可以有效避开这些问题。
同时，
结合模态识别的4点和24点法，CAE仿真能更准确、便捷地了解白车身模态性能。
尤其在车辆开发前期，能有效指导车身设计。
关键词：白车身，NVH，模态，试验，识别，HyperGraph
Abstract: BIW’s mode can be obtained through testing and CAE. Although testing can relatively reflect the true performance of the vehicle, it is expensive in both cost and time, as well as other unpredictable factors. Meanwhile, CAE can easily avoid these problems, and can more accurately and conveniently to obtain the performance, combining with the 4-point and 24-point method for the modal identification. Especially in the early stage of the vehicle development, CAE method can effectively guide the design of body.
Key words: BIW, NVH, mode, test, identify, HyperGraph
1 概述
白车身模态分析作为整车NVH分析的一个基础环节，对整车NVH性能管控起着关键的作用。
模态分析能够反映出结构在低频范围内的振动问题，尤其对避开路面和发动机激励尤为重要。
一般4缸机的怠速激励在25Hz左右，路面激励在20Hz以内，故白车身一阶模态应在40Hz左右才能使得TB 的一阶模态避开上述两种激励，而如何准确地识别出白车身一阶模态成为车身设计的关键问题。
解决上面的问题，目前可用模态测试或者模态识别（CAE的方法）来判断，本文从这两个方面研究了白车身模态分析方法。
2 模态测试方法
目前试验模态分析技术已经成为解决振动噪声以及疲劳强度等实际问题的一项最重要、应用最广泛的技术手段【1】。
通过模态试验识别出的汽车白车身的结构动力学特性对于乘坐舒适性和结构可靠性起着决定性的作用，是汽车新产品开发中结构分析的主要内容，特别是车身的低阶弹性模态是控制其振动噪声的关键基础性指标之一【2】。
2.1 测试方法简述
模态测试是同时测量结构的输入和输出信号而得到结构的频响函数，即通过激励和响应，推知结构的特性【3】。
可以根据试验条件选择单点或多点激励，常用的做法是采用两个激振器产生随机信号对车身进行激励，两个激振器分别置于车身左后纵梁处以+Z方向激励和发动机舱右悬置安装点纵梁的+Y 方向激励，在车身上布置加速度传感器以采集车身结构的响应，试验状态如图1所示。
图1 白车身试验状态示意图
试验时要用弹性绳将车身悬吊，来近似达到自由的状态。
激励点的选择应尽可能放在避开模态节点且刚度较大的位置，以便能量能传递出去。
从加速度传感器采集到的数据能够在LMS Testlab分析软件中得到试验的几何模型，如图2所示。
图2 白车身试验的几何模型
采集得到白车身几何模型的振型需要结合稳态图来确定模态参数，如图3所示。
图中每个极点对应着一个模态振型，这样能快速找出各阶模态。
图3 测试车稳态图
模态测试虽然能够得到模态参数，但所耗费的人力和物力较大，不能随着研发流程反复去做，而CAE的仿真分析重复性强，周期短，借助白车身的有限元模型来进行模态识别也是常用的一个方法，下文将重点阐述该方法。
3 CAE模态分析与识别
3.1 模态分析
目前白车身的有限元模型一般采用主流的建模软件HyperMesh来建立，白车身的有限元模型（不含四门两盖，不带前、后挡风玻璃），车身钣金件均采用壳单元模拟，焊点的连接采用ACM模拟，螺栓连接采用RBE2，顶盖与顶盖横梁的连接采用实体单元模拟（给其赋予胶的特性），在自由状态下计算模态。
模型建好后在条件允许的情况下要用试验结果来修正模型，在不具备该条件时暂且在现有模型基础上来做模态识别。
3.2模态识别
模态识别采用的是基于模态的频响分析方法，通过得到的频响曲线来辅助识别模态，基本原理和试验测试类似，相当于在仿真中再现了试验，但其操作方式比试验更加灵活，下面将介绍下常用的4点和24点法的分析步骤。
3.2.1 4点法分析原理【4】
图4 4点法示意图
分析步骤如下：
1) 4点法的取点位置为前悬架左、右减震器安装点和后悬架左、右弹簧安装点（如图4所示）；
2) 激励采用单位动载荷进行频响分析；
3) 响应是激励点的加速度；
4) 工况包含弯曲和扭转两种；
5) 结果以实部和虚部的形式输出到punch文件中；
6) 后处理采用HyperGraph来读取结果文件。
3.2.2 24点法分析原理
图5 24点法示意图
分析步骤如下：
1) 24点法的取点位置是沿着白车身的轮廓如图5所示（其中C柱中间点可选择性地选用）；
2) 激励采用单位动载荷进行频响分析，激励点为纵梁前端和纵梁后端左右对称的4个点；
3) 响应是24个点的加速度；
4) 工况包含弯曲和扭转两种；
5) 结果以幅值和相位的形式输出到punch文件中；
6) 后处理采用HyperGraph来读取结果文件。
4 应用案例
本案例以某三厢车为例介绍4点法和24点法进行模态识别的区别。
4.1 白车身模态识别（4点法）
为了缩短前处理的时间，以下分析均采用头文件来编辑计算文件。
按照上文步骤，首先打开Hypermesh，显示出4个激励点的ID号，然后将ID号如图6所示，写入头文件，建立SET点，以便后面调用。
图6 建立SET点
按图7所示分别定义扭转和弯曲的载荷：
图7 定义载荷
图8 定义模态阻尼和频率载荷
扭转载荷施加的原则是对角线的任两个点力方向相同，沿X向的任两点力方向相反，且4个点均在Z向上加载；弯曲载荷施加的原则是4个点力方向相同且沿Z向加载；模态阻尼和频率载荷的调用如图8所示。
图9 定义工况
定义弯曲和扭转工况如图9，至此头文件的主体部分已经定义好，求解器可以按需选择，载入文件即可以得到punch文件，在HyperGraph中打开该文件，按实部和虚部显示。
如图10和11所示，实部4条曲线的交点同时也是虚部4条曲线的峰值点，则该频率对应着白车身的一个主要振型，通常在60Hz范围内找出符合条件的频率，然后结合模态分析得到的振型，去进一步确定1阶弯曲和1阶扭转的振型和频率。
图10 弯曲工况
图11 扭转工况
4点法由于取点较少，操作起来相对简单，但得到的峰值点较少，常用来判别1阶扭转和弯曲，为了进一步识别其他的重要振型，可以采用24点法，如下文所示。
4.2 白车身模态识别（24点法）
用来计算的头文件写法和4点法是一致的，唯一不同的是激励点和响应点，激励点为图5中所示的纵梁前端和纵梁后端在左右对称的位置各取一点，在HyperMesh中显示24个点的ID号，创建SET 如图12。
图12 建立SET点
激励点的加载方式和4点法一致，响应是SET中所有点加速度的幅值和相位，同样的可以计算得到punch文件，在HyperGraph中显示所有点的幅值曲线，然后在曲线列表中选中所有曲线求其RMS 的曲线，结果如图13和14所示。
图13 弯曲工况
图14 扭转工况
从两种方法得到的结果曲线可以看出，同样的模型按照不同的方法求得的峰值点的个数是不同的，但都能够辅助工程师去识别1阶弯曲和扭转的模态振型，不同的是24点法得到的峰值点更多，可以识别出其他重要的振型。
5 总结
CAE和试验两种白车身的模态分析方法各有优劣，尤其是CAE的4点和24点法进行模态识别，能更便捷地识别模态振型。
模态试验能较真实地反映测试车辆的实际状态，但考虑到试验数据也存在不一致性。
CAE可以辅助试验来排除人为因素，因此，白车身的模态分析应该综合考虑二者的结果。
6 参考文献
[1]李立军,余卓平,靳晓雄等. 汽车整车及零部件试验模态分析测试技术[J]. 汽车研究与开发, 2000.5.
[2]李英平. 汽车车身模态分析实例研究[J].汽车技术，2007.11.
[3]庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动[M].北京：北京理工大学出版社, 2006.6.
[4]包国建,黄茁,瞿元,李畅. HyperWorks自动化技术在白车身模态识别中的应用[J]. Altair 2013 技术大会
论文集, 2013.。
