[摘要]運(yùn)用ANSA、MSC Nastran、Hyperview等CAE分析軟件，對(duì)新開(kāi)發(fā)的一款純電動(dòng)汽車(chē)全鋁框架車(chē)身，建立鋁舍金白車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元分析模型，設(shè)置載荷及邊界條件。對(duì)白車(chē)身的模態(tài)、靈敏度、噪聲傳遞函數(shù)和空腔模態(tài)進(jìn)行有限元計(jì)算。并結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)純電動(dòng)鋁合金車(chē)身NVH進(jìn)行綜合性分析、評(píng)價(jià)，并給出有效的改進(jìn)措施和解決方案。在新車(chē)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行NVH的性能預(yù)測(cè)分析和研究。對(duì)于避免振動(dòng)、降低車(chē)內(nèi)噪聲具有積極意義。以上分析流程可以為后續(xù)的純電動(dòng)鋁合金車(chē)身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考和理論依據(jù)。[關(guān)鍵詞]純電動(dòng)汽車(chē)；全鋁車(chē)身；NVH；模態(tài)；車(chē)身靈敏度；空腔模態(tài)0 引言目前，由于汽車(chē)日益增加，能源緊缺、環(huán)境和噪聲污染越來(lái)越嚴(yán)重。研究表明，汽車(chē)輕量化可以減少燃油的消耗，從而在很大程度上緩解汽車(chē)快速發(fā)展給資源環(huán)境帶來(lái)的巨大壓力。由于鋁是一種質(zhì)地輕，強(qiáng)度大，可回收率高的綠色材料，車(chē)身采用鋁合金，可以大大降低汽車(chē)重量，從而減少能源的消耗。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，新能源汽車(chē)越來(lái)越受到人們重視，特別是純電動(dòng)汽車(chē)。由于安全、綠色、節(jié)能、環(huán)保得到了人們熱烈歡迎和國(guó)家大力支持。隨著生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)汽車(chē)的噪聲(noise)、振動(dòng)(vibration)、聲振粗糙度(Harsh—ness)(簡(jiǎn)稱NVH)有越來(lái)越高的要求[2]。由于車(chē)身是汽車(chē)的主要組成部分，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段就應(yīng)該嚴(yán)格控制車(chē)身的振動(dòng)噪聲，使其達(dá)到較好的效果。由于純電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)的NVH有較大的差別。因此，對(duì)獨(dú)立新開(kāi)發(fā)的一款自主品牌純電動(dòng)全鋁車(chē)身汽車(chē)。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段運(yùn)用CAE技術(shù)對(duì)車(chē)身NVH進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化．可以準(zhǔn)確對(duì)其N(xiāo)VH進(jìn)行預(yù)測(cè)和綜合評(píng)價(jià)．有利于降低噪聲和振動(dòng)，有利于指導(dǎo)白車(chē)身的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于提高其聲學(xué)品質(zhì)和舒適性，從而可以縮短新車(chē)上市的時(shí)間，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，減少生產(chǎn)后的整改，有助于我國(guó)新能源汽車(chē)提高自主品牌的創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力。1 有限元模型的建立運(yùn)用快速高效的ANSA前處理軟件對(duì)某新開(kāi)發(fā)的純電動(dòng)汽車(chē)白車(chē)身進(jìn)行前處理。把建成的白車(chē)身有限元模型按網(wǎng)格質(zhì)社標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查和處理，使其網(wǎng)格質(zhì)址達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求嘰其中，白車(chē)身 有限元共有88 407個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)77 4934個(gè)，其 中四邊形單元873 196個(gè)， 占總數(shù)的98.77 %, 白 車(chē)身質(zhì)址296.3kg, 與同類型的傳統(tǒng)車(chē)身相比減輕了約30%的重址。如圖l所示為電動(dòng)汽車(chē)白車(chē)身有限元模型。

2 車(chē)身有限元模型NVH分析2.1 模態(tài)計(jì)算與分析在概念設(shè)計(jì)階段，首先，分析競(jìng)爭(zhēng)車(chē)型和參考 車(chē)型的NVH性能后，制定總體技術(shù)指標(biāo)，確定開(kāi)發(fā)車(chē)型的NVH總體指標(biāo)及其分解目標(biāo)值[4]' 并繪 制出整車(chē)主要模態(tài)規(guī)劃表，如表1所示。

通過(guò)模態(tài)分析，可以優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)，避開(kāi)常速下主激勵(lì)元激勵(lì)頻率，防止4身產(chǎn)生共振，并確定 出車(chē)身變形較大的部位， 從而可以改進(jìn)車(chē)身結(jié)構(gòu) 和剛度， 減小振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生與傳遞璣利用astran 軟件對(duì)白車(chē)身模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，對(duì)白車(chē)身有限元模型在自由狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)提取, 除去固有頻率接近于零的剛體模態(tài)振型，提取其前10階柔性模態(tài)為主要研究對(duì)象,求解前10階的模 態(tài)值，如表2所示。輸出前10階振動(dòng)位移云圖并 進(jìn)行分析，其中圖2、圖3分別為白車(chē)身第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型圖和第一階彎曲模態(tài)振型圖。

為減少電動(dòng)汽車(chē)振動(dòng)和噪聲，避免發(fā)生共振， 車(chē)身結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率應(yīng)錯(cuò)開(kāi)主要激振源頻率。對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)，車(chē)內(nèi)噪聲主要有電機(jī)動(dòng)力總成 噪聲、電池風(fēng)扇噪聲、 車(chē)外空氣流動(dòng)引起的噪聲和外部 的車(chē)輪與路面不平衡引起 車(chē)體振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲璣轎車(chē)外部 車(chē)輪和路面不平衡引起激勵(lì)頻率一般在20 Hz以下，而車(chē)身一階固有頻率實(shí)際為27.55 Hz, 明顯大于20 Hz, 不易發(fā)生共振[8) 。由上述計(jì)算結(jié) 果分析后可得，一階固有頻率27.55 Hz, 不僅避開(kāi)了車(chē)輪激振頻率20 Hz, 而且避開(kāi)了主要激振椋 頻率23Hz, 一階固有頻率大于一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)目標(biāo)值27 Hz, 不存在與電動(dòng)汽車(chē)主要激勵(lì)諒耦合 共振的風(fēng)險(xiǎn)氣但是，一階彎曲固有頻率27.77 Hz 小千設(shè)定目標(biāo)值29 Hz, 現(xiàn)提出以下3種優(yōu)化改進(jìn)方案。方案I:在A柱位置橫梁增加倒角（左右4個(gè) 角），C柱實(shí)施同樣方案，并增加焊點(diǎn)數(shù)扭。方案2: 在方案1基礎(chǔ)上，A柱、B柱、C柱分別由1.5 mm增 至2 mm,A柱接頭處由1.5 mm增加至2.5mm 0 方案3: 在方案2基礎(chǔ)上C柱接頭采用剛性單元使 C柱剛性連接。計(jì)鋅結(jié)果：方案l、方案2彎曲剛度 分別為10 268 N/mm、11 566 N/mm, 達(dá)不到剛度目 標(biāo)值12 000 N/mm。方案3彎曲剛度12 598 N/mm, 1階固有頻率為1階扭轉(zhuǎn)， 提高到了28.29 Hz,2階頻率為l階彎曲，提高到了31.25 Hz。方案3C 柱接頭剛性連接及優(yōu)化前后對(duì)比如圖4、表3。

2.2 靈敏度分析車(chē)身靈敏度分析是車(chē)身NVH優(yōu)化設(shè)計(jì)重要的組成部分。通過(guò)靈敏度分析可以確定設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)最為敏感的部位， 從而可以獲得設(shè) 計(jì)參數(shù)和靈敏度系數(shù)氣在不同分析工況下，對(duì)白車(chē)身進(jìn)行不同邊界條件加載， 分別計(jì)算其模態(tài)靈 敏度、前扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度、后扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度 和彎曲剛度靈敏度。計(jì)算分析得到前20個(gè)最高靈敏度零部件柱狀圖。如圖5所示為一階彎曲模態(tài)前20 個(gè)最高靈敏度柱狀圖和對(duì)應(yīng)的零部件圖。計(jì)算結(jié)果顯示，后側(cè)圍內(nèi)外板、減震器支座及 A柱、C柱 的模態(tài)和剛度靈敏度較高。分析結(jié)果中給出了校 態(tài)，扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度的最高的前20個(gè)靈敏度數(shù)值 和對(duì)應(yīng)的板塊，為車(chē)身NVH結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.3 噪聲傳遞函數(shù)分析傳遞函數(shù)不僅可以了解其動(dòng)態(tài)特性，而且可以用千診斷容易產(chǎn)生共振的頻率點(diǎn)及其所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)能否克服共振、疲勞及結(jié)構(gòu)破壞[9) 從而為提高車(chē)身的NVH性能提供優(yōu)化改 進(jìn)方向。在20-200 Hz范圍內(nèi)，對(duì)白車(chē)身上選取的l6激勵(lì)參照點(diǎn)進(jìn)行添加激勵(lì)，對(duì)每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)施加1個(gè)單位激勵(lì)力，計(jì)算各個(gè)安裝點(diǎn)盧壓曲線，輸出相應(yīng)的駕駛員和后排乘員耳旁噪聲傳遞函數(shù)的聲 壓曲線。由輸出的各個(gè)盧壓曲線圖可以看出，除左 后減誰(shuí)楛安裝點(diǎn)所產(chǎn)生的聲壓曲線圖外， 其余各 個(gè)響應(yīng)點(diǎn)均能滿足要求。 左后減振器安裝點(diǎn)聲壓曲線圖，如圖6 。 分析其安裝點(diǎn)聲壓曲線，發(fā)現(xiàn)在67 Hz 處出現(xiàn)峰值，對(duì)應(yīng)的分貝值為 67.l dB, 明顯大于目標(biāo)俏60dB, 需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。 根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)， 可通過(guò)改進(jìn)螺旋彈簧支撐點(diǎn)位置約束點(diǎn)降低振動(dòng)幅值， 同時(shí)把白車(chē)身原來(lái)的約束 點(diǎn)位管處的懸臂結(jié)構(gòu)改至縱梁下表面上， 如圖7所示e 同時(shí)， 把車(chē)后輪上方螺旋彈簧支座進(jìn)行加強(qiáng)， 在車(chē)身后部靈敏度高的部位處適當(dāng)增加焊點(diǎn) 數(shù)計(jì)，并在前座椅下方添加瀝背阻尼板。 優(yōu)化后， 振動(dòng)傳遞響應(yīng)函數(shù)曲線得到了明顯的改善， 兩條盧壓曲線所有峰值均低于目標(biāo)值60dB。 在最高 峰值處盧壓為59.5 dB, 滿足目標(biāo)值要求。

2.4 白車(chē)身聲腔分析由千汽車(chē)車(chē)室是彈性薄壁腔體結(jié)構(gòu)， 其內(nèi)部噪聲不僅有外部傳人車(chē)內(nèi)的輻射噪聲， 而且還有 車(chē)體薄壁結(jié)構(gòu)與車(chē)內(nèi)空氣之間耦合作用產(chǎn)生的低頻轟鳴噪聲， 這種噪聲對(duì)汽車(chē)的乘坐舒適性有很 大的影響。因此，進(jìn)行車(chē)室空腔模態(tài)分析，不僅可 以掌握汽車(chē)車(chē)內(nèi)盧場(chǎng)的分布， 采取相應(yīng)的改進(jìn)措施進(jìn)行降噪， 而且能夠解釋車(chē)身低頻噪聲產(chǎn)生的 機(jī)理。在整車(chē)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格基礎(chǔ)上建立六面體網(wǎng)格為主的轎車(chē)聲腔三維有限元模型， 對(duì)白車(chē)身結(jié)構(gòu)有限 元模型進(jìn)行封閉處理， 即在該模型基礎(chǔ)上增加儀表臺(tái)、儀表橫梁、擋風(fēng)玻璃、開(kāi)閉件以及前后座椅等部件饑把模型設(shè)置好模態(tài)參數(shù)后，并假定車(chē)室內(nèi)部環(huán)境處于理想條件下， 利用模態(tài)提取算法得 到固有頻率和振型，如圖8所示（其中規(guī)定汽車(chē)坐標(biāo)系的X、Y、Z軸分別為縱向、橫向、垂向）。其中，在0 Hz 時(shí)出現(xiàn)一致聲壓模態(tài)，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)模態(tài)中 的剛體模態(tài)。去掉一致聲斥，得到車(chē)身聲學(xué)模態(tài)前10階聲學(xué)頻率和模態(tài)振型，如表4所示。

由模態(tài)振型圖可得，第l階縱向聲壓模態(tài)頻 率為70.3 Hz, 如圖9所示，聲腔模態(tài)圖中相對(duì)聲壓從前向后依次遞減，零聲壓節(jié)面出現(xiàn)在聲腔中 部，即在駕駛員座椅頭部位置處，這對(duì)汽車(chē)是有利的(9]。第l階橫向盧壓模態(tài)頻率為126.8 Hz, 如 圖9所示， 相對(duì)聲壓從前部下端位置處向上端逐漸遞減，在后排座椅處出現(xiàn)相對(duì)聲壓最小值。第l 階垂向聲壓模態(tài)頻率為152.2 Hz, 但第1階垂向 聲壓伴隨若縱向聲壓一起出現(xiàn)，其前、后排座椅頭 部處聲壓較小。其余聲腔模態(tài)基本上是縱向、橫向 和垂向聲壓模態(tài)的組合璣前10階空腔聲壓模態(tài)振型均滿足設(shè)計(jì)要求， 其前后座椅頭部位置處的聲壓均未出現(xiàn)過(guò)高的現(xiàn)象。

3 結(jié)論本文通過(guò)設(shè)計(jì)一整套車(chē)身NVH分析流程，對(duì)新開(kāi)發(fā)的電動(dòng)鋁合金汽車(chē)車(chē)身， 在設(shè)計(jì)階段運(yùn)用有限元軟件對(duì)車(chē)身的校態(tài)、靜剛度、噪聲傳遞函數(shù)、靈敏度和空腔模態(tài)進(jìn)行有限元計(jì)算和分析并做出相關(guān)評(píng)價(jià)，對(duì)不滿足目標(biāo)條件的部分進(jìn)行優(yōu)化并給出可行性修改措施和改進(jìn)方案。通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)，白車(chē)身強(qiáng)度剛度得到加強(qiáng)，振動(dòng)噪聲得到明顯降低。以上對(duì)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身NVH改進(jìn)和優(yōu)化，減少了車(chē)身的振動(dòng)，降低了車(chē)內(nèi)噪聲，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量， 并為后續(xù)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供設(shè)計(jì)方向和理論依據(jù)。作者：楊培培 ，錢(qián)煒 ，高大威 ，辛靜 ，劉大明作者單位：(1．200093上海市上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2．201399上海市上海同捷汽車(chē)設(shè)計(jì)工程研究院)

來(lái)源：農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程