概念设计阶段轿车车身建模方法与NVH优化分析
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2005年 MSC.Software 中国用户论文集
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概念设计阶段轿车车身建模方法与NVH优化分析
徐有忠 顾镭 高新华
奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院
2005年 MSC.Software 中国用户论文集
- 2 - 概念设计阶段轿车车身建模方法与NVH优化分析
Car BIW Modeling Method and NVH Optimization
Analysis for Concept Design Stage
徐有忠 顾镭 高新华 (奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院)
摘 要: 概念设计直接影响到整车未来的NVH性能，因此在新产品开发早期就有效地开展车身分析工作是非常有意义的。本文首先介绍了截面特性、接头刚度以及基于梁单元的车身概念模型的概念，接着阐述了建立车身概念模型的整个过程，最后通过车身敏感度分析方法，实现了车身模态与刚度性能的优化。 关键词: 概念模型 截面特性 接头刚度 敏感度分析 NVH Abstract: Vehicle structure design for NVH is very important especially in the early design stage. However, in this stage, the full vehicle structure is not fully ready. The concept design becomes critical. The analysis development process of this paper can be divided into three phases. First, model set up including the concepts of structure section property, joint stiffness, and beam-based BIW concept model. Secondly, the whole process of making the BIW concept model. Finally, BIW normal mode and stiffness optimization and sensitivity analysis. Key words: concept model, section property, joint stiffness, sensitivity analysis, NVH
1 前言
如今，人们对于产品概念设计阶段的CAE分析工作日益重视，尤其在国外先进的汽车与
航空工业领域，都投入了大量的精力，并取得了显著的成效：日本丰田汽车研发中心的
Kojima与Nishigaki等提出了“FOA（First Order Analysis）”概念，主张在概念阶段通
过车身截面优化设计与初始模型分析[1~2]，达到节省开发时间与成本；Stick Model长期以来
在各种飞机振动与动态分析中得到了广泛应用[3]。Sugiura等[4]将FOA方法应用到底盘开发
当中，通过对零件截面（形状、材料厚度以及材质）的分析，对轴套、弹簧等弹性元件刚度
的设置，在早期就快速有效地完成悬架系统的优化设计。Nishigaki等[5]基于FOA思想，应
用微软公司EXCEL软件二次开发了用于概念设计阶段的车身建模与CAE分析程序。
相对于国外汽车巨头而言，国内汽车开发在概念设计阶段的CAE分析研究起步较晚。作
者希望籍此文，对促进国内汽车产品在概念阶段CAE工作的发展起到抛砖引玉的作用。
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- 3 - 2 概念阶段车身分析常用术语
2.1 典型截面特性
典型截面是车身上具有代表性的横截面，如图1所示。
图1 某车型的A柱典型截面图
典型截面设计时，不仅须考虑车型布置的要求，诸如人机工程学、驾驶员前方视野
法规要求等，还得保证相邻的零件之间正确的搭接配合关系，而且更需满足结构特性条
件。本文关注的正是截面的结构特性，其主要参量如下：
1. 横截面的材料填充区面积
∫=dAA （1）
dA——微元的面积；如图2所示，全横截面的材料填充区面积，即阴影部分所
有微元面积之和，而非轮廓的包围面积。
图2 典型截面材料填充区面积示意图
2. 惯量矩——：、ZYII
∫=dAZIY2 （2）
∫=dAYIZ2 （3）
3. 扭转常量：截面根据类型不同——实心截面、开口截面、封闭截面，有三种不同
的扭转常量计算公式。
4. 剪切常量：对于开口截面有意义。 2005年 MSC.Software 中国用户论文集
- 4 - 通过累积，可形成一系列车型截面的数据库，从而为新车型开发提供参考依据。当
然，截取平面的位置与局部坐标系方向必须遵守相同的法则（可根据实际情况来建立），
否则就没有可比性。如图3所示，简明示意了某类车型的典型截面位置与截取方向。
图3 车身典型截面与接头位置示意图
2.2 接头刚度的定义
接头是车身关键的过渡结构，直接影响着车身整体的刚度与模态值。因此必须研究其抗
扭转与抗弯曲刚度特性。不同车型的接头数有所差别，如上图3所示的白车身有A~E共5
个接头（左右对称）。
接头结构设计得不合理必然导致整车NVH性能的下降，因此必须保证每个接头的刚度
达到一定的参考数值。这种参考数值通常是通过累积竞争车型，或相近车型的接头结构性能
参数构成数据库而获得。当然，这些被研究的接头必须按结构尺寸的一致性原则来截取，否
则就没有可比性。
a) 接头网格模型 b) 接头位移云图
图4 B柱上部接头有限元分析模型及其位移云图
图4a为某车型B柱上部接头的有限元模型简图，其中包含了钣金网格（壳）单元、焊
点单元与刚性杆单元（RBE2）。刚度计算时，需约束两个管脚的所有平动与转动自由度，并
在第三个管脚处加一单位力，考察其变形量（如图4b所示）。因涉密问题，具体方法略去。
A B C
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- 5 - 2.3 基于梁单元的概念模型
基于梁单元的简化模型在工程中早就得到了广泛应用，例如：车身模态试验分析的简化
模型；基于梁单元构成的车身结构模型（如图5所示）；在有限元方法与模态试验的相关性
分析[6]中，以及在故障诊断中也有应用[7]（如图6所示）都得到了应用。
但是，这些模型主要关注梁单元（截面）及其构成的框架结构（见文献[1~5]），对接
头结构与大的连接覆盖面没有太多的考虑。显然，这种模型与详细设计阶段的结构模型差别
太大，对后期可能暴露的NVH问题的预测性差。
图5 一阶弯曲模态振型图（引自文献[5]）
图6 详细有限元模型与简化Stick Model (引自文献[6])
本文概念阶段车身建模的基本思想就是用简单的梁（/杆）单元来表达车身的梁结构，
运用刚性单元与弹簧单元模拟接头结构，采用壳单元构成大的连接（覆盖）面，从而形成简
化的车身结构模型——基于梁单元的概念模型(Beam-based Concept Model, BCM)。
3 概念设计阶段车身建模
3.1 概念设计阶段车身建模流程
概念设计阶段车身建模流程如图7所示。其中，典型截面与接头分析是建立车身基础
BCM（第一轮分析模型）的前期工作；截面优化与接头优化在实际工作中是很重要的环节，
但是若单纯出于构建车身基础BCM的目的，则完全是可略过的（虚线表示）；而CAE经验
数据库在其中起着至关重要的作用，它直接决定了截面优化与接头优化等目标值的设定。
显然，概念设计阶段建立车身基础BCM并不是根本目的，而是通过对这种早期的车身
模态与刚度计算及其敏感度分析，寻求一个既不明显增加车身重量、又可提高车身NVH性
能的最优化模型——车身优化BCM。因此，敏感度分析与优化工作是其中一个非常关键的
环节。 2005年 MSC.Software 中国用户论文集
- 6 - 图7 概念设计阶段车身建模流程图
3.2 概念设计阶段车身模型构建过程
本文基于MSC.Patran软件，进行概念阶段车身模型构建过程描述。因此，文中出现的
有关术语均源自MSC.Patran软件。
3.2.1 定义梁（杆）结构
梁（杆，Bar）单元的截面属性根据截面分析结果确定。常用Bar单元是两个节点的Bar2
单元。创建新Bar2单元时，必须先定义一种新的或者选用现有的截面属性，其次是选定一
维（1D）单元的两个端点。定义这种1D单元截面属性时，类型选用“BEAM”，截面类型常选
用缺省方式。
通常选择因截面类型（封闭截面、开口截面）不同，选用梁（杆）单元的类型也有不同
的差异。定义封闭截面时，一般采用通用截面（General Section）；定义开口截面，则选用
General Section（CBEAM）。
General Section主要必须输入以下参数：
Material Name 材料名称；
Bar Orientation 杆的方向（一般选用典型截面局部坐标系的Z向）；
Area / Cross Sect. Area 材料填充面积；
Inertias 1,1 对应YI； 典型截面分析 接头刚度分析
截面优化与改进
车身基础BCM 接头优化与改进
车身模态分析 车身刚度分析 CAE数据库
敏感度分析与优化
车身优化BCM 2005年 MSC.Software 中国用户论文集
- 7 - Inertias 2,2 对应ZI；
Torsional Constant[/s] 扭转常量。
对于General Section（CBEAM），除此之外还得输入以下两大参数：
Wrap Coeff. @ Node 1——节点1剪切常量；
Wrap Coeff. @ Node 2——节点2剪切常量。
对于车身的纵梁、横梁以及门柱，主要采用杆单元进行模拟。因为实际结构是变截面的，
所以整个梁采用同一截面拉伸是不合适的。通常可采用两种方法：（1） 采用分段方法——
获取多个截面，计算其各自的截面参数，并依次连续构建多个杆单元，从而达到对变截面梁
结构的模拟；（2）采用Taper形状的杆单元（Tapered Section），模拟近似梯形变化的梁结
构，如B柱。当然，这两种方法可以结合起来，并通过增加截面的数量，以保证分析模型与
工程结构的逼近。
通常，车身结构中必然存在着横梁与纵梁相交，但是其结合部位形心却不重合（偏离）
的情况。出于模型表达方便，类似情形一般采用重合节点方法来处理。但是，这样会改变梁
实际的结构（包括截面位置与方向），因此需要进行偏置（OFFSET）处理：即在截面定义时
候输入有关偏置信息，如一端发生偏置的，则在Section Properties中给出Offset @ Node
1或者Offset @ Node 2的信息；如果两端都有偏置现象，则同时输入Offset @ Node 1和
Offset @ Node 2信息。
3.2.2 接头结构的处理
车身的接头，采用RBE2、零长度的弹簧单元来模拟。一般由接头形心位置向接头管脚
中心处做RBE2单元，并在管脚中心定义两个物理位置相同的节点（此处的局部坐标系按截
