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基于NVH性能的平臺車身優(yōu)化設計研究
2019-04-27 00:20:08· 來源：企業(yè)科技與發(fā)展 作者：許冰，王國春
【摘要】汽車NVH性能的高低是汽車舒適度的主要評判標準之一。汽車NVH工作又由CAE分析與實驗兩個部分組合，目前，國內(nèi)汽車企業(yè)對汽車NVH性能的提升以后期CAE優(yōu)化
【摘要】汽車NVH性能的高低是汽車舒適度的主要評判標準之一。汽車NVH工作又由CAE分析與實驗兩個部分組合，目前，國內(nèi)汽車企業(yè)對汽車NVH性能的提升以后期CAE優(yōu)化為主，存在工作重復、效率低、成本高等不足。文章提出了一種新的NVH性能優(yōu)化方法：將車身平臺化，采用結構優(yōu)化算法對平臺共用件進行優(yōu)化，確定一部分合適各種車型的平臺共用件，在開發(fā)新車時調(diào)用此平臺，確保了一定的車身NVH性能。文章采用了該方法對某車身平臺進行了優(yōu)化分析，新車型調(diào)用該平臺后，車身NVH性能的優(yōu)化的工作量大幅度減少。
【關鍵詞】車身NVH；車身平臺化；優(yōu)化分析
引言
近年來，國內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展越發(fā)成熟，行業(yè)內(nèi)激烈的競爭與人民生活水平提高后對生活品質(zhì)的追求，促使車企對汽車乘坐的舒適度越來越重視。因此，對車身NVH性能的要求越要越高。NVH即N-Nosie噪聲、V-Vibration振動、H-Harshness聲振粗糙度，是一個評估汽車舒適度的標準。它不像其他汽車性能需要專業(yè)工程師用儀器做分析才能得到一個結果，它能直接反映給任何一位乘車人員。有研究表明，長期處于噪音環(huán)境下會對我們的心理有很大的不良影響，甚至影響人的聽力。這里的噪音不僅指人類可聽到的噪聲，它還包含一些低頻噪聲。除此之外，還有一些人體無法明確感受到的低頻震動，也會對車內(nèi)乘員造成不同的影響，如暈車、疲勞等。因此，車身NVH性能的優(yōu)化在今后的車身開發(fā)中會愈發(fā)重要。
由于具有國內(nèi)NVH技術還不成熟，在車身前期開發(fā)的時候不能把控NVH性能，只能在后期通過優(yōu)化車身結構提升車身固有的自然模態(tài)，防止聲固耦合模態(tài)與激勵頻率一致造成巨大噪聲。除此之外，還要對車身關鍵點的動剛度優(yōu)化分析、TB模型的模態(tài)優(yōu)化分析等進行提升。由于車身主體框架結構已經(jīng)鎖定，一些結構已經(jīng)很難再修改替換，方案有效卻不一定能實施，所以對NVH性能的優(yōu)化提升，往往能達到事半功倍的效果。
為了提升工作效率，本文將NVH性能優(yōu)化分析與車身平臺化開發(fā)策略結合，建立車身同底盤平臺模型，以車身剛度模態(tài)為目標函數(shù)，利用集成優(yōu)化軟件進行研究計算，得到一個剛度模態(tài)性能最優(yōu)的車身底盤。在開發(fā)新車型時，直接調(diào)用該底盤數(shù)據(jù)進行構架車身，在前期開發(fā)就保證了車身的剛度模態(tài)性能，后期只需不斷優(yōu)化上車體的結構，以此達到設定的車身NVH目標，實現(xiàn)了縮短開發(fā)周期的目的，對汽車行業(yè)的發(fā)展有很大的意義。
1 平臺化車身開發(fā)理論
目前，國外汽車公司為達到低成本開發(fā)、快速生產(chǎn)、迅速占領市場的目的，都已經(jīng)使用平臺開發(fā)策略開發(fā)新的車型。例如，“大眾”汽車以發(fā)動機的布置為核心，建立模塊化發(fā)動機平臺，它將發(fā)動機與油門踏板的距離及發(fā)動機和前軸的距離進行固定，只要調(diào)節(jié)車身其他尺寸就能得到一個新的車型。除此之外，還有“本田”的下車體模塊化平臺化開發(fā)策略、基于已有CAD模型策略等不同技術核心的平臺化開發(fā)策略。
雖然各個車企的平臺化設計核心不同，開發(fā)策略也不相同，但理論核心是不變的，都是將車身某一區(qū)域板件進行鎖定作分析模塊對象，然后以某一項車身性能作為響應，將不同的車型作為約束，最終以最優(yōu)性能為目標進行優(yōu)化分析，得到一個在各種車型中該車身性能都能達到最佳的車身。本文就是基于這個理論進行基于NVH性能的平臺車身優(yōu)化設計研究。
2 基于NVH性能的平臺車身優(yōu)化設計研究流程
本文建立了車身同底盤平臺模型，對從此平臺開發(fā)的不同車型進行剛度模態(tài)數(shù)據(jù)分析，選取共用板件，并將這些板件進行厚度與尺寸的優(yōu)化分析，從而得到具有最優(yōu)剛度模態(tài)性能的車身底盤。流程圖如圖1所示。
（1）選取使用同樣車身底盤模型的不同車身數(shù)模，如基于此車身底盤開發(fā)的SUV車型與MPV車型。它們底盤的大部分梁截面尺寸與板件厚度都是一致的，是這次研究的主要優(yōu)化點。
（2）以NVH性能的剛度模態(tài)為優(yōu)化上下限，先將選中的車型分別進行靈敏度分析，確定性能貢獻量大的板件，目的是為了減少后期優(yōu)化計算的時間。
（3）考慮制造工藝與制造成本等因素，為板件設定合理的參數(shù)，并采用最優(yōu)拉丁方計算方法進行重新排列組合，形成N組不同的參數(shù)組。
（4）利用集成優(yōu)化軟件將設定的參數(shù)輸入選定的模型進行NVH剛度模態(tài)計算，為保證模態(tài)數(shù)值的準確性，需采用模態(tài)追蹤法，讀取模態(tài)的頻率。
（5）結果對比，結合組合參數(shù)輸入的合理性，確定一組最優(yōu)參數(shù)解，將參數(shù)更新至選定的車身底盤，從而得到一個新的車身底盤平臺，在此平臺車身的基礎上開發(fā)新的車型，解決前期開發(fā)中NVH性能較差及后期優(yōu)化工作量大的問題。
3 基于NVH性能的同底盤平臺優(yōu)化設計
3.1 平臺化底盤 模型的建立
依據(jù)平臺化車身建立的原理，本文對多款車型進行平臺化模型建立，其總成的框架劃分如圖2所示。
本文主要是對前車架和后車架總成進行研究。將已有車型的白車身有限元模型進行對比，對車身部件進行分類，結合平臺模塊設計理念及分析經(jīng)驗，選定下車體中的框架結構作為優(yōu)化對象，因為框架結構是整車車身的“骨架”，直接影響整車性能。對已有平臺的SUV及MPV的下車體進行結構對比，共用部分將作為同平臺車身的優(yōu)化部件，其中共用的框架結構如圖3所示。
3.2 平臺化車身結構優(yōu)化設計
機械工程領域中為了讓某一個性能達標，工程師除了根據(jù)自身多年的經(jīng)驗外，還會使用一些優(yōu)化方法對車身結構進行有效優(yōu)化，大致可分為拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化。在此，我們采用尺寸優(yōu)化方法對上文所選定的對整車性能影響較大的下車身框架結構進行優(yōu)化，主要為橫梁、縱梁，進行Hyper Morph結構變形設計（如圖4所示。）
確定了截面尺寸優(yōu)化的部件后，為了方便數(shù)據(jù)的輸入，以及方便敘述，將共用部件分別命名為Beam1、Beam2、Beam3、L_Beam1、R_Beam2。X、Y、Z3個不同方向的變形及變形的范圍也要區(qū)分設定（見表1）。
為了讓模型的優(yōu)化更全面，本文不僅設計橫梁與縱梁的截面大小優(yōu)化，還對板件的厚度進行優(yōu)化，將共用的部件分別按不同的厚度進行一定排序命名，即A_T70、B_T70、A_T100等。改變板件厚度的設計如圖5所示。
選定了厚度優(yōu)化的部件之后，為了保證優(yōu)化后的零件能正常制造，還要結合制造工藝的規(guī)范要求對厚度變化的尺寸進行一定的限制。尺寸優(yōu)化變化表見表2。
綜上所述，本文通過對已有車型的下車體框架結構進行對比，選定對性能影響較大的車身框架結構，確定優(yōu)化部件。對部件結構的截面尺寸和厚度進行優(yōu)化，提升平臺化車身的NVH性能。
3.3 平臺化車身NVH性能設計
本文為了使研究設計的成果能清楚地展示，只展示了白車彎曲與扭轉剛度模態(tài)方面的優(yōu)化設計。
（1）扭轉剛度，即整車抵抗扭轉變形的能力，是扭轉力矩與角度變形的比值，衡量的是駕駛員對車的跟隨感。扭轉剛度越大，車身的扭轉角度就越小，跟隨感就越好，反之則駕駛感越差。從而，通過對車身扭轉剛度的優(yōu)化，提升白車身的NVH性能。模型的分析加載如圖6所示。
約束前防撞梁中心自由度3；約束后懸左側自由度13；約束后懸右側自由度123；在前懸左右分別施加一個Z向向上、向下的力，大小為F，白車身扭轉剛度計算公式如下：
公式（1）中，T為前懸中心所加載的扭矩；θ為扭轉工況下白車身的扭轉角度。
公式（2）中，F(xiàn)為前懸點所加載的沿z向力；L為載荷加載點之間的距離，即前懸中心點之間的距離。而在仿真計算的過程中，需要消除白車身整體加載后自身的扭轉誤差，運用對應前懸與后懸梁測點的位移，可以計算出白車身仿真的扭轉角度，其計算公式如下：
其中，zfl、zrl、zfr、zrr分別為左右前后懸對應梁測點的z向位移，Lf、Lr分別為前后懸對應測點距離。
（2）彎曲剛度。整車在使用過程中，需要承載來自乘員及貨物等所產(chǎn)生的垂直方向上的力，為了有效地控制彎曲變形，彎曲剛度需要滿足一定的指標，模型的分析加載如圖7所示。
約束左右側前懸自由度123，左右側后懸約束自由度3，在每個座椅的乘坐人員的重心點施加載荷F，沿Z向向下，白車身彎曲剛度計算公式如下：
公式（4）中，F(xiàn)Σ為加載載荷沿Z向的合力，δmax為施加力之后所得的白車身梁沿Z向最大位移，需要通過如下公式得到：
公式（5）中，δ1max、δrmax分別為左右對應梁最大位，δfl、δfr分別為前懸對應測點在載荷力作用下的位移量，δrl、δrr分別為后懸對應測點在載荷力作用下的位移量。
（3）模態(tài)分析，主要求自然頻率和振型。自然頻率：結構在受到擾動后，趨向于以自然頻率振動。振型：在某個自然頻率下，結構的振動形態(tài)，其分析理論如下：
從上式可以求出n個實根λ，對應求得系統(tǒng)有n個固有頻率ω，將代入公式（8）中可解得｛A｝。
3.4 車身結構優(yōu)化模型集成設計
根據(jù)前文的設計，要使研究成果具有有效性，我們必須保證對SUV與MPV進行相同的優(yōu)化變形。加載相應的剛度模態(tài)工況進行計算分析，分別輸出優(yōu)化車身的結果，并且輸出性能結果，從而完成所有試驗樣本的性能計算。對比樣板模型的性能，選擇最優(yōu)的結果，將對應的設計參數(shù)應用于之前選定的底盤件進行優(yōu)化變形，優(yōu)化變形后的底盤平臺用于開發(fā)新的車型，達到了本文研究的預期目的。車身結構優(yōu)化模型集成流程如圖8所示。
基于研究設計的需要，本文選用Isight軟件對優(yōu)化設計過程中所需要的各個軟件進行相關的集成（如圖9所示）。
在試驗設計階段利用Isight集成軟件的最優(yōu)化功能對前期設定的參數(shù)進行最優(yōu)拉丁方排序組合，使其樣本分布更加均勻，從而使擬合更加精確真實地反映因子與響應之間的關系。圖10為各種試驗設計方法樣本點選取圖，最優(yōu)拉丁超立方設計使樣本點分布更加均勻。
將前期設定的參數(shù)進行最優(yōu)拉丁方取樣（見表3與表4）。
在最后的結果提取中直接輸入剛度計算的公式，將扭轉、彎曲的剛度計算出來，但是模態(tài)的輸出可能存在跳階，讀取的模態(tài)振形與設定的模態(tài)振形不一致，導致結果誤差大。為防止這種情況的發(fā)生，在計算過程中還得設定模態(tài)追蹤識別，其理論具體如下。結構優(yōu)化之后第i階模態(tài)的MAC表達式：
其中：base［j］為基礎模態(tài)的第j個特征點的位移；RESULT［i，j］為所需識別第i階模態(tài)第j個特征點的位移。對于不同的模態(tài)振型，MAC值有如下特點：
通過跟蹤每次結構優(yōu)化之后各階模態(tài)的MAC值進行相應的跟蹤，選取其中MAC接近于1的模態(tài)，以保證識別出的模態(tài)振型與基礎模態(tài)振型一致。
3.5 研究成果
經(jīng)過前文的設計與計算，得到相關樣板的計算結果，將結果進行后續(xù)對比處理，得到如圖11與圖12的曲線圖。
由結果曲線圖得知，梁截面變化樣本集的第七組數(shù)值和厚度樣本集的第四組數(shù)值是最優(yōu)解，從圖11與圖12中提取相應的參數(shù)，對本文選定的車身底盤平臺按此參數(shù)對應的部件進行優(yōu)化變形，變形后的車身底盤平臺即本文基于NVH性能的平臺車身優(yōu)化設計研究的最終成果，后期在該平臺上開發(fā)SUV或者MPV車型，只需要優(yōu)化上車身就能快速地達到前期設定的剛度模態(tài)目標值，保證了整車NVH性能，縮短了開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本。
4 結論
（1）本文將NVH性能優(yōu)化分析與車身平臺化開發(fā)策略相結合，建立車身同底盤平臺模型，以車身剛度模態(tài)為目標函數(shù)，提出了一種新的NVH性能優(yōu)化方法，在前期對車身平臺進行優(yōu)化，后期開發(fā)在優(yōu)化過的白車身平臺件上進行，縮減了后期開發(fā)的成本與開發(fā)周期。
（2）建立平臺化底盤模型：根據(jù)車身平臺化建設原理，將NVH性能靈敏分析數(shù)據(jù)與分析經(jīng)驗相結合，確定對NVH性能貢獻較大的零部件，并考慮制造工藝與裝配工藝，最終確定優(yōu)化的參數(shù)范圍。
（3）建立了車身集成優(yōu)化模型：采用Isight軟件將變形軟件與分析軟件、結果處理軟件相結合，對SUV白車身與MPV白車身中的共用零部件進行優(yōu)化分析，不同的樣本產(chǎn)生不同的分析結果，選擇最優(yōu)的結果的樣本值對平臺化底盤進行優(yōu)化變形，達到了本文基于NVH性能的平臺化車身優(yōu)化設計研究的目標。
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