轿车白车身模态和静刚度的试验和CAE

摘要汽车工业发展到今天，汽车车身已成为影响其各种性能的最大组成部分之一，特别是轿车车身，它在很大程度上决定了汽车的商品价值和销售市场。

近几十年来，人们对汽车的安全性、舒适性、经济性、可靠性和耐久性的要求越来越高；由于能源的紧缺和激烈的汽车市场竞争，又迫使汽车要实现轻量化并尽可能降低成本，因而引发材料工程与制造业巨大的变化，并促使设计理念和设计方法不断改进。

有限元法是关于连续体的一种离散化的数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法，它在车身结构分析中发挥着重要的作用。

本论文利用先进的CAE技术，以某轿车白车身为主要研究对象，在Hyperworks软件下，建立了轿车白车身详细有限元模型，进行白车身自由模态分析、扭转工况和弯曲工况下的白车身刚度分析，以检测白车身是否满足基本的模态刚度要求。

并利用CAE 软件进行白车身钣金件的优化，以达到轻量化的目的，提高白车身的经济性和安全性，满足市场需求。

关键词：白车身模态刚度Hyperworks 优化备注：因要遵循公司保密条约，本论文数据已处理。

Modal and Stiffness Analysis and OPtimizationon Body-in-whiteof Car Based on Finite Element MethodAbstractAutomobile industry development today, the body has become the various properties of the largest part of the car body, in particular, it largely determines the value of the goods and the sale market of automobile. In recent decades, the vehicle safety, comfort, economy, reliability and durability of the increasingly high demand; because of the shortage of energy resources and the car market with intense competition, and forced the car to lighten and reduce costs as much as possible, and thus lead to materials engineering and manufacturing industry tremendous changes, and make the design concept and design method of continuous improvement. The finite element method is a kind of continuum discrete numerical calculation method, the mechanics model to approximate the numerical method,the body-in-whit structure analysis plays an important role.In this paper, the use of advanced CAE technology, to body-in-whit as the main research object, in Hyperworks software, establish the detailed finite element model of body-in-whit, for white body free modal analysis of torsional and bending condition and working condition of BIW stiffness analysis of body-in-whit, to detect whether meet the basic modal stiffness degree requirements. And the use of CAE software for white main body sheet metal parts optimization, has reached the goal of lightening the body-in-whit, improve the economy and safety of, meet market demand.Key words:Body-in-whit Moda Hyperworks Stiffness Optimization目录中文摘要 (Ⅰ)英文摘要. (Ⅱ)目录 (Ⅲ)第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2国内外车身CAE技术研究现状 (2)1.3本文的主要内容 (3)第二章有限元法理论 (4)2.1引言 (4)2.2有限单元法和白车身刚度的基本原理 (4)2.2.1有限元和模态分析基本理论 (4)2.2.2白车身扭转刚度基本理论 (5)2.2.3白车身弯曲刚度基本理论 (7)2.2.4白车身门窗开口变形理论 (8)第三章某轿车白车身有限元建模 (9)3.1引言 (9)3.2建模要求 (9)3.2.1网格标准的确定 (9)3.2.2网格质量要求 (9)3.3建模的基本步骤 (10)3.3.1建模原则 (10)3.3.2单元类型的选择 (10)3.3.3连接方式的选择 (10)3.3.4单位制及材料特性 (11)3.2.5模型的装配 (11)第四章轿车白车身模态分析 (13)4.1白车身模态分析的意义 (13)4.2白车身模态分析的基本设置 (13)4.3白车身模态分析结果分析 (13)4.4本章小结. (16)第五章轿车白车身刚度分析 (17)5.1引言 (17)5.2白车身扭转工况分析 (17)5.2.1加载及约束条件 (17)5.2.2白车身扭转刚度结果表达及评价标准 (18)5.2.3轿车白车身扭转刚度数据处理及分析结果 (18)5.3白车身弯曲工况分析 (22)5.3.1加载及约束条件 (22)5.3.2白车身弯曲刚度结果表达及评价标准 (22)5.3.3轿车白车身弯曲刚度数据处理及分析结果 (23)5.4本章小结 (25)第六章轿车白车身优化分析 (26)6.1引言. (26)6.2优化分析的基本原理 (26)6.3优化分析的基本步骤 (27)6.3.1在Hypermesh中完成相关设置 (27)6.3.2提交Nastran完成计算 (28)6.3.3提取灵敏度信息 (28)6.3.4确定优化方案 (28)6.4白车身优化结果分析 (28)第七章结论与展望 (29)7.1本文结论 (29)7.2工作展望. (29)参考文献 (30)致谢 (32)第一章.绪论1.1引言近几年，我国汽车工业快速而稳步发展，打造我国自主品牌、开发核心技术是我国汽车工业的必然选择。

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。

井冈山大学学报(自然科学版)72文章编号：1674-8085(2019)02-0072-05白车身固有振动特性CAE及试验分析对比*刁杰胜，刘文慧，尹杨平（奇瑞商用车（安徽）有限公司工程研究院，安徽，芜湖241000）摘要：汽车NVH性能设计需对白车身的固有振动特性进行分析。

本文根据白车身模态实验的状态，建立相应的有限元模型，并对CAE和试验结果进行对比。

结果表明：白车身的前三阶振型一致，第四阶振型基本一致；各个振型对应的固有频率误差在5%内；前二阶试验和CAE的固有频率略低于目标值要求，暂时风险接受，待路试试验验证后再决定是否进行优化；第三阶和第四阶试验和CAE固有频率都满足目标值要求。

根据CAE规范分析得到的结果具有较高精度，针对本车，可用CAE方法进行模态优化，这对降低汽车生产成本，改善NVH性能具有重要意义。

关键词：固有振动特性；NVH性能；试验分析；CAE分析；汽车生产成本中图分类号：U463.82 文献标识码：A DOI:10.3969/j.issn.1674-8085.2019.02.013 CONTRAST OF CAE AND EXPERIMENTAL ANALYSIS METHOD FOR NATURAL VIBRATION CHARACTERISTIC OF BIW*DIAO Jie-sheng，LIU Wen-hui，YIN Yang-ping( Automotive Engineering Research Institute, Anhui Chery Commercial Vehicle Company, Wuhu, Anhui 241000, China)Abstract: The natural vibration characteristic of BIW (body in white) should be analyzed in the process of NVH (noise vibration and harshness) performance design for the vehicle. The finite element model is established according to the state of modal experiment for the BIW. The results show that the first three orders of mode shapes for the BIW are the same by the method of CAE (computer added engineering) and experiment. The fourth-order shape is largely consistent. Each proper frequency of each shape has a maximum error of 5%. The first two orders proper frequency measured by the two methods mentioned above are approaching the goal. Both the CAE and experiment results are accepted by risk temporarily. The optimization will be done when the results of test on road are not good. Both the third and fourth-order proper frequencies measured by the two methods meet the goal. The \ results have high accuracy using the method mentioned in the CAE specifications. The modal optimization for the vehicle can use the CAE method. It has significant importance to optimize automobile structures, reduce car production cost and improve NVH performance by using the CAE analysis method.Key words:natural vibration characteristic; NVH performance; experimental analysis; CAE analysis; car production cost汽车生产厂家在设计整车性能时都非常重视NVH性能，NVH性能包括振动、噪声、舒适性等[1]。

CAE技术在白车身设计开发中的应用发表时间：2018-12-26T13:03:22.120Z 来源：《防护工程》2018年第24期作者：刘晨山程爽[导读] 基于社会不断发展的背景下，CAE技术在白车身设计开发期间受到了广泛的关注刘晨山程爽长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车工程技术研究中心保定 071000摘要：基于社会不断发展的背景下，CAE技术在白车身设计开发期间受到了广泛的关注。

通过分析该项技术特征，在设计环节中针对白车身的模型、静刚度性能指标等加以确认，并且在后期试制测量中进行试验验证。

依照试验验证结果表明，在车身设计环节中使用CAE 技术具有十分重要的作用，它可以有效的指导设计工作，并且检测白车身性能。

关键词：CAE技术；白车身；应用目前，从白车身的静刚度可以看出来，它涉及到的内容比较多，包括静态抗弯刚曲刚度以及静态抗扭转刚度。

面对车震的抗弯刚度和抗扭转刚度而言，其在本质上对于车身质量有着决定性影响。

特别是在经过特大变形以后，如果柔性车身的壳体扭转刚度不合理的话，就不能以应有的方式来承担弯曲作用。

所以，一个良好的车身需要具有一定的刚性壳体。

车身是轿车的重要组成部分，车身结构必须具备一定的刚度，以此满足装配以及使用需求。

1关于有限元分析技术以及应用的软件技术的介绍伴随着网络技术的不断发展，需要对我国数值进行相应的分析。

对于CAE技术而言，其在目前汽车产品中占据着比较突出的地位，通常情况下，它属于一种离散化的方法，主要是将弹性连续性的规划为小单元体积，还需要在有限元的节点中，相互结合，描述出自身的特性，从整个连续性的力学特征可以看出来，绝大多数科学家会认为这些小的特点是力学特性的总和，因此需要设立相应的连续体的平衡关系，从网格细化可以看出来，需要相应的提高准确度，并且在这个的时候，不能太过盲目的追求网格细密程度，所以，得出的网格越多，那么测算出来的资源以及实践也会增多。

当前，在使用的有限元件中，可以分为很多种，包括NASTAN以及ABAQUS等多种元件内容。

轿车白车身模态和静刚度的试验和CAE蔡坚勇;宋名洋【摘要】本文介绍利用Altair/HyperMesh软件创建某紧凑型轿车白车身有限元模型,运用MSC/Nastran软件求解白车身结构的固有模态、静态弯曲刚度和扭转刚度.介绍相关试验方法,并把试验值和CAE分析值进行比较.验证了CAE分析模型的有效性,认为该车型车身具有较好的动态特性和静态扭转刚度.【期刊名称】《海峡科学》【年(卷),期】2010(000)012【总页数】3页(P121-123)【关键词】白车身;模态;弯曲刚度;扭转刚度【作者】蔡坚勇;宋名洋【作者单位】东南(福建)汽车工业有限公司研发中心;东南(福建)汽车工业有限公司研发中心【正文语种】中文当前，CAE（计算机辅助工程分析）技术已经成熟，在国外大型汽车企业中得到了广泛应用，在我国一些大型汽车企业为了提升自主研发能力，已将CAE技术应用到新车型研发中，且获得了良好的效果。

本文分别利用试验方法和CAE分析方法求解某紧凑型轿车白车身的模态、静态刚度值，并把试验值和CAE分析值进行比较，验证了CAE分析值的可靠性。

该车轴距2 510 mm，前轮距1 472 mm，后轮距1 465 mm。

采用Altair/HyperMesh软件创建白车身CAE模型，钣金件用壳单元模拟，共有444 031个，其中三角形壳单元14 124个，占3.2%，单元尺寸5~15 mm，粘胶和焊点采用实体单元模拟，共5 195个，烧焊和螺栓采用刚性单元模拟。

单元质量符合企业给定标准。

为减少CAE建模的工作量，采用同一个白车身CAE模型进行以上所有工况分析。

材料属性由企业提供的参数设置，见表1。

白车身CAE模型如图1所示。

模态分析技术源于20世纪30年代提出的将机电进行比拟的机械阻抗技术，是用于对机械系统、土建结构、桥梁等工程结构系统进行分析的现代化方法和手段[1]。

模态试验是通过试验设备，采集激励点信号和测量点的响应信号，经过软件分析处理后获得结构固有频率和相应振型。

某轿车白车身静态刚度试验方法研究
朱天军;孔现伟;索乾;贾继龙;朱玉刚
【期刊名称】《汽车技术》
【年(卷),期】2013(000)011
【摘要】针对某轿车白车身概念设计要求，建立了白车身静态刚度试验测试系统并提出了理论计算方法，利用该测试系统对该轿车白车身的弯曲刚度和扭转刚度进行了试验测试，得到了静态工况下的刚度及关键部位的刚度变化规律，试验测试结果与实际CAE计算结果吻合。

找到了该轿车白车身刚度不足的问题，从而指出了该车型概念设计阶段的改进方向。

【总页数】5页(P43-47)
【作者】朱天军;孔现伟;索乾;贾继龙;朱玉刚
【作者单位】河北工程大学; 中国汽车技术研究中心;河北工程大学; 中国汽车技术研究中心;河北工程大学; 中国汽车技术研究中心;河北工程大学; 中国汽车技术研究中心;中国汽车技术研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】U467.4
【相关文献】
1.轿车白车身静态刚度的试验研究 [J], 王辉
2.电动轿车车身静态刚度台架试验 [J], 赵向阳
3.电动轿车车身静态刚度台架试验 [J], 赵向阳
4.某汽车白车身静态弯曲刚度仿真分析与试验验证 [J], 王克飞;罗明军
5.轿车白车身弯扭静刚度试验方法研究 [J], 王多华
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

CAE分析在汽车白车身NVH性能开发中的应用摘要：CAE分析是白车身性能(NVH开发，应用模态），特别是白车身扭转刚度、弯曲刚度过程中的重要技术，通过分析和验证相结合的方式指导白车身NVH性能开发，分析结果和验证结果表明CAE分析方法的有效性和科学性，在汽车开发中可以有效地指导严酷的白车身NVH性能开发。

关键词：白车身；模态；弯曲刚度；扭转刚度1前言随着科学技术的发展，人们对汽车的舒适性要求越来越高，而良好的平顺性和NVH是汽车的一个重要标志，因而汽车的NVH性能开发与设计受到了广泛的重视。

在汽车的NVH性能开发中，白车身模态、白车身弯曲刚度、白车身扭转刚度，严重影响着整车的NVH性能，所以这几项分析与设计尤为重要。

本文以Hyperwork为前、后处理器，以Nastran为求解器，对某车型的白车身模态、白车身弯曲刚度、白车身扭转刚度，作了详细的分析和试验验证，结果表明：采用该分析方法在设计阶段控制白车身的NVH性能是有效可行的方法。

2国内外CAE和模态技术研究CAE是Computer Aided Engineering的简称。

指用计算机辅助求解分析复杂的工程和产品的结构力学性能。

CAE是从60年代初在工程上开始应用到今天，已经经历了50多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程。

现已成为工程和产品结构分析中（例如航空、航天、机械、土木结构、汽车等领域）必不可少的数值计算工具。

同时也是分析连续力学各问题的一种重要工具。

CAE系统的核心是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体。

2.1国内外发展现状根据相关资料显示，国外汽车厂家在大力推行CAE相关技术后，在费用方面，新车开发阶段的费用从最初的75%-85%明显下降到现在的10%-15%。

在设计周期上也有着显著的提高。

例如，美国通用汽车公司在1995年应用有限元分析技术后，其新车型的开发周期从最初的36个月下降到当时的12-18个月；计后期的错误修正率较之前相比下降了50个百分点；试验车的生产制造成本均降低到元成本的三分之二；投资收益比重则上升60个百分点。

二、白车身静刚度试验1 白车身弯曲刚度试验1.1 测试仪器设备加载设备：千斤顶2只，力传感器2只，应变仪1台； 位移采集：Topcom GTS 801全站仪。

1.2 车身支承及加载方式在车身轮位附近设置4个铰支点，支承点如图1、2所示。

在车身中柱下方车身底部用2只千斤顶加载，加载力的大小由力传感器测定，并保持一致。

加载现场如图3、4所示。

4个支点的相对位置平面图如图5所示。

图1 前支点 图2 后支点图3 左侧加载 图4 右侧加载图5 支点相对位置示意图 图6测点分布平面图1.3 测点布置在车身前窗平台上选择两个镜像点作为位移测点1#、2#，在车身中柱上方顶部选择两个镜像点作为位移测量点3#、4#，平面图如图6所示，测点照片如图7、8所示。

弯曲试验时，仅采集3#、4#测点的垂向坐标变化，用于计算测点的垂向位移。

图7 1#、2#测点 图8 3#、4#测点1.4 弯曲试验实测原始数据3#、4#号测点实测垂向坐标值见表1。

表1. 测点垂向坐标实测原始数据1.5 弯曲刚度折算方法及结果车身结构基本对称，以等刚度等效简支梁的弯曲模拟车身的弯曲变形。

如图9所示，在力P 作用下，A 点的横向位移为：图9 车身弯曲等效简支梁()223A Pa L a x EIL-=其中，EI 为抗弯刚度。

在试验实测中， 1.45, 2.46a m L m ==，则车身等效抗弯刚度为：0.2906AP EI x = 将表1中的测点坐标平移，使零载荷时坐标为零，则力~位移曲线（P~x A ）如图10所示。

图10 弯曲状况力与位移曲线按3#测点计算的曲线平均斜率为：63 1.587710/APk N m x ==⨯。

按4#测点计算的曲线平均斜率为：64 1.649110/APk N m x ==⨯。

取上述两个斜率的平均值作为力~位移曲线斜率，则车身的平均等效抗弯刚度为：620.4710()EI Nm =⨯2 白车身扭转刚度试验2.1 试验仪器设备所用仪器设备与弯曲刚度试验的完全相同。

某轿车白车身静态刚度试验方法研究某轿车白车身静态刚度试验方法研究介绍静态刚度是评估汽车车身结构强度的重要指标，对保障汽车行驶安全、提升乘坐舒适性具有重要作用。

针对某轿车开展白车身静态刚度试验方法研究，可优化轿车车身设计和加强车身强度，增强车辆的稳定性和行驶安全性。

试验过程1.仪器准备某轿车可以用车架上升装置固定，避免扭曲变形，在车顶、地面和侧面分别安装模拟地面的制动台和模拟车顶的固定架。

使用压力计、屈曲力测试仪等测试仪器准备好。

2.试验步骤（1）静态强度试验：将压力计置于某车身状态下的指定位置上，逐渐加压并记录压力值，根据压力值-挠度曲线确定车身的刚度。

（2）屈曲强度试验：将杆状打码物压在某车身指定位置上，超过规定压力时，记录失稳的实验数，并计算试验最大失稳破坏载荷。

（3）扭转试验：在制动台辅助下，施加扭矩，记录各角度下的扭矩-扭曲角度曲线，得出车身的扭转刚度。

（4）弯曲试验：制动台辅助下，施加力、弯曲角度和气压的组合，记录各弯曲角度下的载荷大小和变形量，完成弯曲刚度曲线的绘制。

试验结果经过试验得到的结果如下：静态强度最大载荷为约500N/ mm，失稳载荷为约35N/ mm；扭转试验结果约为3.5N · m/度，弯曲刚度前倾角度下最大载荷为约1,750N，后倾角度下最大载荷约为1，500N。

结论某轿车白车身静态刚度试验得到的结果表明车身结构设计合理，各项指标均符合相关标准，汽车行驶稳定性和行驶安全性得到了保障。

建议在轿车下一步设计中，注重强度和刚度的平衡，进一步提高车身设计的可靠性和稳定性。

应用轿车设计的静态刚度试验结果对于轿车的车身结构设计和加强车身强度有显著的指导意义，使得轿车的车身结构更好地满足了市场需求和业内质量安全标准。

同时，可以通过加强车身结构设计和提高车身强度来增加车辆的行驶稳定性、抗腐蚀性和抗疲劳性，从而有效提升行驶安全性，增加车内乘坐者的乘坐舒适性，促进轿车的性能和市场竞争力。

轿车白车身静刚度仿真与试验对标韩立;张兵;曹宏伟【摘要】为了把控车身的静刚度以提高车身结构的功能可靠性、碰撞安全性及振动噪声舒适性,该文以某轿车白车身为研究对象,通过计算机仿真和试验测试2种方法得到性能参数.采用前处理软件HyperMesh建立整车有限元模型,建立与试验系统相同的边界条件及数据后处理修正,完成了仿真与试验的对标.对比仿真与试验结果显示两者误差在10％范围内,验证了仿真的准确性和试验的可靠性,该仿真方法和试验流程可普遍用于获得各类车型的车身静刚度.并对影响仿真精度和试验稳定的敏感因素及解决方法给出参考建议.【期刊名称】《汽车工程师》【年(卷),期】2018(000)005【总页数】5页(P35-38,54)【关键词】轿车;白车身;静刚度;试验对标【作者】韩立;张兵;曹宏伟【作者单位】中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司;中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司;中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司【正文语种】中文现代轿车大多数采用全承载式车身结构，在使用过程中车身承担着几乎所有的弯曲、扭转及碰撞等载荷。

如果车身刚度不足，会引起车身上一些部件的变形过大或其它总成相对位置发生错动，从而影响正常工作，因此车身刚度具有举足轻重的作用。

但是，车身的弯曲扭转刚度试验没有国标可借鉴，各主机厂都有自己的试验测试方法，而仿真和试验对标的一致性历来是难以攻克的问题点。

文章在阐述仿真方法和试验流程的基础上，通过仿真和试验对标找到了影响仿真准确性和试验稳定性的重要因素，并针对控制影响因素的敏感程度给出了解决办法，为车身结构优化和轻量化奠定基础。

1 静刚度有限元仿真当前CAE分析技术日趋成熟，在国外大型汽车企业中得到广泛应用。

我国各大汽车企业为了提升自主研发能力，已将CAE分析技术应用到新车型研发中，且获得良好效果[1]。

1.1 车身有限元模型建立某轿车白车身采用无前后风挡玻璃、无四门两盖及无副车架状态，借助软件HyperMesh建立有限元模型，车身钣金采用10 mm壳单元划分网格，焊点采用acm类型模拟，焊缝采用cweld单元模拟，胶粘采用adhesives类型连接，有限元模型材料基本参数，如表1所示。