白車身骨架模態研究與結構優化設計

馬保林 熊輝 張略

摘? 要：為了提高某承載式車身骨架的模態，解決其在汽車行駛過程中與外界激勵頻率重合產生共振和異響，改善白車身骨架的NVH性能，對某轎車白車身進行研究并對關鍵零部件進行了結構優化設計，并進行有限元分析驗證。根據有限元分析及實車驗證，這些結構優化方案對改善車身模態頻率具有良好的效果，為其他車型提供設計參考。

關鍵詞：模態分析，結構優化，白車身，有限元分析

中圖分類號：U463.8? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1005-2550（2024）02-0047-05

Research on the BIW Modal and Optimization Design of the Structural

Ma Bao-lin， Xiong Hui， Zhang Lue

（Chery Automobile Co.， Ltd.， WuHu 241000， China）

Abstract： In order to improve the mode of a load-bearing body frame， solve the resonance and abnormal noise caused by its overlap with the external excitation frequency during the driving process of the car， and improve the NVH performance of the BIW skeleton， the BIW of a car was studied， and the structural optimization design of key components was carried out， and the finite element analysis was carried out to verify it. According to the finite element analysis and actual vehicle verification， these structural optimization schemes have a good effect on improving the modal frequency of the body， and provide design reference for other models.

Key Words： Modal Analysis; Structural Optimization; Body-In-White; Finite Element Analysis

1? ? 前言

隨著我國汽車行業的飛速發展，乘員對于汽車振動噪聲品質的要求不斷提高。NVH是指在車輛工作條件下乘客感覺到的噪聲、振動和聲振粗糙度，是衡量汽車質量的一個綜合性問題，給乘客的感受是最直接和最突出的。

從NVH的原理來看，汽車是一個由激勵源、振動傳遞器和噪聲發射器組成的系統。汽車的發動機、傳動裝置、輪轂、車胎，甚至是道路、空氣都會成為激勵源。振動與噪聲通過懸架、車身及其他零部件傳導至車內空間，最終造成振動及聲學反應。因此，車身是振動及噪聲傳播的必然載體之一。車身不但將噪聲進行傳播，其本身也是造成振動及噪聲的主要因素。從傳動裝置來看，汽車在運行時，車體的抖動及車身周圍空氣的快速流動都是激勵源。其噪聲主要從發動機、排放裝置、傳動系統、輪胎與地面的摩擦、散熱裝置中產生[1]。

白車身扭轉模態是車身結構的固有振動特性，不僅反映了汽車車身的整體剛度性能，而且是控制汽車NVH特性的關鍵指標，其重要程度等同于車身的長度、寬度、高度等重要性能參數[2]。車身模態偏低，外界的激勵頻率會與車身模態頻率重合產生共振，汽車車身壁板會產生振動現象且在振動激勵作用下極易產生振幅噪聲，這會對車輛的NVH性能產生巨大的影響。因此車身模態控制最基本的原則是避免共振，在進行模態規劃時，需要考慮其他系統的激勵頻率范圍，并與激勵源頻率錯開[3]。

車身按照受力情況可分為非承載式和承載式兩種，其中承載式車身也叫無車架式車身，如圖1所示。該車身的特點是汽車沒有車架，車身就作為發動機和底盤各總成的安裝基礎。承載式車身的優點是燃油經濟性、操控性、舒適性好，缺點是其車輛載荷全部由汽車車身承受，引起車內振動及異響的可能性大。

天窗是車身結構的重要附件，其中全景天窗由于采光面積大、視野開闊，備受客戶青睞，近幾年成為市場上天窗的主流。但由于其需要在白車身車頂設計較大的開口，且無法布置橫梁等加強結構，存在著弱化白車身結構、降低整車模態的風險[4]。

2? ? 問題分析

某款轎車車身為承載式車身，采用全景天窗，因此在其開發過程中車身模態的提升是一項極其重要的內容。根據市場調研得到了9款競品車型的扭轉模態數據，競品車型的平均扭轉模態為47.0Hz，其中競品車型4的扭轉模態最優達到了51.2Hz，詳細如圖2所示。

為探索白車身模態性能指標，大多研究者對白車身有限元模型進行模態分析，得到白車身的固有頻率和相應振型，通過仿真結果判斷模態頻率是否耦合[5]。在車型開發階段車身模態偏低，項目要求設計人員快速識別車身模態性能薄弱區域，提出優化方案，從而提升整車性能，提高車型設計效率，縮短汽車設計周期[6]。對未進行模態優化的該車身進行有限元分析，其車身模態頻率為40.2Hz，如圖3所示。為了滿足車企模態標準和設計要求，并保持產品的競爭力，該款轎車將要達到的扭轉模態目標定為50.0Hz。

3? ? 典型方案

為了達到扭轉模態目標，針對該白車身進行了大量的分析與驗證，其中大部分方案對車身模態具有改善效果，少部分方案反而會降低車身模態。本文選擇了以下幾種典型的方案作為研究對象。

3.1? ?A柱下隔板模態優化方案驗證

A柱下隔板的整體改善思路為對加強筋進行更改，同時進行修邊補齊。方案一的設計是將原有加強筋貫通，并進行修邊補齊；方案二的設計是將加強筋做橫向處理，并進行修邊補齊；方案三的設計是更改加強筋的方向，進行修邊補齊，同時將黃色框處的撐腿切掉；詳細如圖4所示。經過分析驗證，得到這三種方案驗證結果如表1所示。

3.2? ?天窗安裝板模態優化

天窗安裝板的改善思路為對天窗安裝板進行分塊，并改變局部安裝板厚度。方案一的設計是將天窗安裝板進行前后分塊，并將天窗安裝板前端黃色部分局部增厚至2.5cm；方案二的設計是將天窗安裝板進行左右分塊，并將天窗安裝板左右側黃色部分局部增厚至2.5cm；方案三的設計是將天窗安裝板左右前后均進行分塊，并將四拐角黃色部分局部增厚至2.5cm；詳細如圖5所示。經過分析驗證，得到這三種方案的驗證結果如表2所示。

3.3? ?C柱內板上接頭模態優化

針對C柱內板上接頭模態優化方案有兩個，方案一是將藍色區域局部加厚至1.0mm，且將C柱內板缺口補齊；方案二是增加兩條深度7mm的加強筋，且尾部加翻邊，周邊零部件再配合更改；詳細見圖6所示，經過分析驗證，得到這兩種方案的驗證結果如表3所示。

3.4? ?結構膠方案優化

在鈑金件之間的接頭處增加結構膠，也可以改善車身模態。整體改善方案為在B柱加強板與豎板之間增加210mm長結構膠、A柱下加強板與豎板之間增加310mm長結構膠，A柱下加強板與豎板間增加230mm長結構膠、側圍外板與加強板間增加320mm長結構膠、側圍外板與輪置包邊處增加630mm長結構膠，詳細如圖7所示，經過分析驗證，增加結構膠后車身模態改善了0.1Hz，重量幾乎無變化。

3.5? ?包裹架橫梁模態優化

包裹架橫梁的改善思路為增加橫梁截面的長度。方案一的設計是將前橫梁X向截面增加41mm，同時將后橫梁Z向截面增加23mm；方案二的設計是將前橫梁Z向截面增加22mm，后橫梁Z向截面增加24mm；詳細如圖8所示，經過分析驗證，得到這兩種方案的驗證結果如表4所示。

3.6? ?大燈橫梁結構改善方案分析

并非所有的結構改善方案都能起到提高改善車身模態的作用，在驗證的方案中有一部分會起到相反的效果。如圖所示為大燈橫梁的模態優化方案，其中方案一的設計是優化大燈橫梁后端安裝面，消除2個安裝點的面差；方案二的設計是取消左右側大燈橫梁；詳細如圖9所示。經過分析驗證，得到這兩種方案的驗證結果如表3所示。根據驗證結果，這兩種方案的實施將會降低車身模態。經過分析，在方案一中原方案的臺階面相當于在平面上增加了一道加強筋并提升了安裝點的剛度，使得接頭處受到的力更容易傳遞，因此將該臺階面改成平面后車身模態有所降低。在方案二中取消左右側的大燈橫梁弱化了零部件之間的連接，割斷了力傳導導致模態下降，從反面來分析大燈橫梁對提升車身模態至關重要，需要進一步加強。

經過大量此類的方案設計之后，對白車身進行有限元分析，如圖10所示。根據分析結果，白車身的骨架模態得到了明顯的改善，由原來的40.2Hz增加到了49.8Hz，詳細如圖11所示。在本項目試制階段，全部的模態改善方案體現以后，進行實車方案試驗驗證，得到白車身實車扭轉模態為50.2 Hz，與理論分析結果基本吻合。

4? ? 總結

本文對某款轎車白車身骨架為例，研究了幾種不同的設計方案對白車身模態的影響，總結得到以下幾種提升白車身模態的通用思路，為同類配置車型提升模態提供指導意義：

（1）對白車身進行有限元分析，觀察應變能密度云圖，識別出應變能密度高的部位設法加強。對于鈑金件，可通過在鈑金件上增加加強筋，并且選擇合適的加強筋排列方向提高車身模態。對于橫梁類零件，可通過加大橫梁截面、或者增加零件的厚度的方式提升模態。

（2）零部件與零部件之間的連接處往往是模態性能薄弱的區域，因此強化零部件之間的連接也是提升車身模態的重要途徑。在鈑金件之間的接頭處增加結構膠提升了模態頻率。在零部件之間增加加強梁以強化零部件間的連接，也可以提升車身模態。

參考文獻：

[1]黃鵬.汽車NVH基礎分析與發動機隔噪減振對策[J].汽車測試報告，2023，（03）：146-148.

[2]趙廣，麻桂艷，湯湧.基于扭轉模態的某白車身結構分析與優化[J].汽車實用技術，2018，（06）：13-15.DOI：10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.06.006.

[3]張紅巖，孫榮明，王巖等.承載式車身模態性能優化[J].農業裝備與車輛工程，2018，56（08）：66-70.

[4]董涵.全景天窗對白車身模態的影響分析及評價[J].上海汽車，2019，（11）：49-52.

[5]馬倩昀，馮國勝，賈素梅等.某純電動汽車白車身模態的分析與校核[J].農業裝備與車輛工程，2023，61（07）：51-55.

[6]盛敏，王斌，陳曠等.白車身薄弱點識別方法研究[J].工業技術創新，2023，10（06）：57-61.DOI：10.14103/j.issn.2095-8412.2023.12.008.