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基于HyperWorks的Trimmed Body扭轉(zhuǎn)模態(tài)優(yōu)化

2021-12-13 19:58:07·  來源：汽車NVH云講堂  
　
作者 | 陳紅偉.霍俊焱.趙敬.崔新濤Trimmed Body(TB)扭轉(zhuǎn)頻率接近發(fā)動機(jī)怠速工況激振頻率時(shí)，會引起汽車的共振，在汽車研發(fā)階段需要避免該情況的發(fā)生。本文基于Hy
作者 | 陳紅偉.霍俊焱.趙敬.崔新濤 
Trimmed Body(TB)扭轉(zhuǎn)頻率接近發(fā)動機(jī)怠速工況激振頻率時(shí)，會引起汽車的共振，在汽車研發(fā)階段需要避免該情況的發(fā)生。本文基于HyperWorks軟件平臺，對某車型的TB扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率過低的問題進(jìn)行了原因診斷，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致該問題出現(xiàn)的原因?yàn)楹笞我浑A模態(tài)與TB扭轉(zhuǎn)模態(tài)耦合。對后座椅骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了TB模型的扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率。
1 概述
在新車開發(fā)階段，為避免汽車運(yùn)行過程中產(chǎn)生NVH問題，通常為TB扭轉(zhuǎn)頻率設(shè)定一個目標(biāo)值，使其避開怠速工況頻率。在某車開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，TB扭轉(zhuǎn)頻率與后座椅一階模態(tài)頻率耦合，使得單純從車身結(jié)構(gòu)方面入手很難提升其扭轉(zhuǎn)頻率。本文針對以上問題，從后座椅本體入手，采用OptiStruct軟件對板厚進(jìn)行尺寸優(yōu)化，提升了后座椅的模態(tài)頻率，進(jìn)而提高了TB扭轉(zhuǎn)頻率，在設(shè)計(jì)階段對可能出現(xiàn)的NVH問題進(jìn)行了預(yù)處理。
2 TB扭轉(zhuǎn)頻率偏低的原因分析
某車型在開發(fā)過程中存在扭轉(zhuǎn)頻率過低的問題，通過觀察TB模型的模態(tài)振型，如圖1，(為明顯起見，僅顯示白車身及后座椅），發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)模態(tài)與后座椅模態(tài)耦合，懷疑兩者之間的耦合作用導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)頻率偏低。為了驗(yàn)證是否為后座椅的問題，設(shè)計(jì)了兩種實(shí)驗(yàn)，一是去掉后座椅，二是將后座椅以集中質(zhì)量的形式連接到車身上，如圖2，以集中質(zhì)量的方法驗(yàn)證后座椅（見表1）是否對TB扭轉(zhuǎn)頻率產(chǎn)生重要影響。
圖1 TB扭轉(zhuǎn)頻率與后座椅模態(tài)耦合
圖2 RBE3-CONM2的形式替代后座椅的TB模型
表1 三種情況TB扭轉(zhuǎn)頻率的對比
去掉后座椅TB扭轉(zhuǎn)頻率上升至29.06Hz，后座椅采用集中質(zhì)量（RBE3-CONM2）的形式連接到車身，TB扭轉(zhuǎn)頻率為28.99Hz，說明后座椅模態(tài)與TB扭轉(zhuǎn)模態(tài)的耦合導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)頻率偏低，去掉后座椅耦合影響，扭轉(zhuǎn)頻率得到明顯提升，因此后座椅的模態(tài)優(yōu)化是必要的。
3 后座椅的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
3.1 后座椅有限元模型的介紹
后座椅有限元模型包括座椅骨架，靠背、坐墊、頭枕，其中靠背、坐墊、頭枕采用集中質(zhì)量CONM2的形式通過RBE3連接到骨架上。建模中鈑金件之間的連接分別根據(jù)實(shí)際情況采用RBE2或直徑為6mm的CWELD單元模擬。座椅實(shí)際中是可以旋轉(zhuǎn)的，因此需要在轉(zhuǎn)動處放開轉(zhuǎn)動方向的轉(zhuǎn)動自由度。建立好的座椅有限元模型包括22,205個單元，22,566個節(jié)點(diǎn)。
圖3 后座椅有限元模型
3.2 尺寸優(yōu)化
使用OptiStruct中的尺寸優(yōu)化面板對后座椅進(jìn)行尺寸優(yōu)化，以圖4所示部件的板厚做為設(shè)計(jì)變量。

圖4 后座椅尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)變量
厚度變化范圍為±50%，通過discrete dvs面板設(shè)置板厚的變化為離散性，每0.1mm作為一個增量，更好的貼合實(shí)際制造工藝。
約束后座椅與地板以及側(cè)圍連接部位六個方向的自由度，將約束的后座椅第一階模態(tài)以及后座椅總質(zhì)量作為響應(yīng)，第一階模態(tài)頻率不小于32Hz為尺寸優(yōu)化的約束，后座椅的質(zhì)量響應(yīng)最小為尺寸優(yōu)化的目標(biāo)，對模型進(jìn)行優(yōu)化。表2為優(yōu)化前后設(shè)計(jì)變量厚度的變化，圖5、圖6分別顯示了一階頻率以及質(zhì)量響應(yīng)的迭代歷程。
表2 優(yōu)化前后設(shè)計(jì)變量厚度的變化

表3 設(shè)計(jì)前后質(zhì)量和頻率響應(yīng)變化


圖5 座椅一階頻率響應(yīng)迭代歷程

圖6 質(zhì)量響應(yīng)迭代歷程
設(shè)計(jì)之后座椅一階模態(tài)由28.64Hz上升到31.90Hz，由于設(shè)置容差為0.1Hz，因此滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。優(yōu)化后模態(tài)頻率提高3.26Hz，提升率為11.4%，質(zhì)量減小0.03kg，優(yōu)化效果比較明顯。
3.3 TB扭轉(zhuǎn)模態(tài)的提升情況
將優(yōu)化后的后座椅重新裝到TB模型上，對TB模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到的扭轉(zhuǎn)模態(tài)如圖7所示，扭轉(zhuǎn)頻率由原來的25.54Hz上升到26.94Hz，提高了1.4Hz。

圖7 優(yōu)化后整車扭轉(zhuǎn)模態(tài)
4 總結(jié)
通過Altair HyperWorks平臺的OptiStruct尺寸優(yōu)化功能對后座椅一階模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化后，后座椅總重降低0.03kg，座椅一階模態(tài)頻率上升了3.26Hz，對應(yīng)的TB扭轉(zhuǎn)頻率上升1.4Hz，在最大節(jié)省材料的同時(shí)，NVH性能有了較大提高，優(yōu)化效果明顯。Altair HyperWorks平臺強(qiáng)大的前后處理功能在解決該問題的過程中發(fā)揮了重要作用，為工程師工作提供了必要的技術(shù)支持。 
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