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某车型白车身动刚度计算方法与性能优化研究
本文介绍了动态刚度的基本概念，建立了公司的计算方法，对某车型白车身进行动态刚度分析，进而提出优化改进方案，使该车型获得良好的NVH性能。
1引言
在轿车车身的性能中，动刚度计算占有重要的地位，其作用主要表现在车身疲劳寿命和整车乘坐的舒适性上。
汽车在行驶的过程中，会受到各种各样的动载荷。当动载荷与车身的动力学特性接近，即动载荷的某分量与车身的某阶模态的固有频率接近时，将可能引发结构共振产生较高的动应力，导致车身的疲劳破坏。而车身的动力学特性对乘坐舒适性的影响，主要表现在NVH性能上。
在某车型项目中，以前期项目为标准，研究白车身动态刚度的计算方法，修正白车身动刚度有限元模型，确保计算获得准确的动态刚度结果。计算方法和建模方法的研究完成为之后的动刚度性能优化工作搭建了良好的基础，然后运用通过模态计算寻找改进思路，尝试多种改进方案，确定最佳方案使车身动刚度性能达标，提升了整车的NVH性能。
2动态刚度
动刚度是指计算结构在周期振荡载荷作用下对每一个计算频率的动响应，也称为频率响应。激励载荷是在频域中明确定义的，所有的外力在每一个指定的频率上己知。力的形式可以是外力，也可以是强迫运动（位移、速度、加速度等）。计算结果分实部和虚部两部分。实部代表响应的幅度，虚部代表响应的相角。通常动刚度采用响应的幅值来表示，包括节点位移、加速度、单元力和应力等。动刚度的计算方法主要有直接频率响应、模态频率响应两种。
a)直接频率响应，通过求解整个模型的阻尼耦合方程，得出各频率对于外载荷的响应。
b)模态频率响应，利用结构的模态振型来对耦合的运动方程进行缩减和解耦，同时由单个模态响应的叠加得到某一给定频率下的解答。其分析的输出类型与直接频率响应分析得到的输出类型相同。模态频率响应分析法利用结构的模态振型来对运动方程进行缩减，因此在对较大模型做频率响应分析时比直接法更右效率。在本车型的频率响应计算中使用模态频率响应，下面是对模态频率响应理论的简介。
假设输入的激振力为：
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响应为：
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则系统的运动方程为：
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式(1)中[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵
假设
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其中[φ]为系统的模态变换矩阵，则可把变量从物理坐标系转化为模态坐标系{ξ(ω)}
把(2)式带入(1)式，两边同除eiωt得
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两边同乘[φ]T
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根据模态正交性，(4)式变为：
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其中Mjj为j阶结构质量，Cjj为j阶结构阻尼，Kjj为j阶结构刚度，Pj为j阶激振力。
(5)式中每阶模态的响应为：
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再由(2)式可计算出系统在物理坐标下的响应。
本公司的法国母公司PSA对动态刚度的计算方法内嵌在其自行开发的CAE软件OPTIMA中，其中应用的算法和控制参数设置对我们而言可以说是未知数。在某车型项目中，我们使用MSC.NASTRAN软件的模态频率响应分析，研究确定合理的控制参数设置，对该车型的动刚度进行了计算分析。如图(1)所示，一条是本公司计算方法得到的动刚度曲线，一条是PSA的动刚度曲线，两条曲线基本一致，对标性良好，说明DPCA关于动刚度计算结果的可靠性。
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图1动刚度计算结果对比
3某车型动态刚度分析与优化方案
在某车型项目中，对发动机右垫块、动机左垫块、前悬减震器安装支点、后置悬点上支撑、排气管悬挂点等的x、y、z三个方向施加激振力，进行频率响应分析，动刚度为激振力幅值与响应位移之比。结果表明，在关注频率段内，主要问题出现在右后侧悬置点的y向动刚度。如图(2)所示，在关注频率范围内出现动刚度较大的降级，没有达标。
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图2右后悬置Y向动刚度结果
对照同频率段范围的白车身模态计算结果，在后隔板与轮罩的连接区域，出现较大应变能，初步分析由于该区域结构刚度不足导致车身右后悬置点动刚度的降级。为了能够尽快验证这一推测是否正确，在后隔板和轮罩之间增加一简单梁支撑，模拟结构的强化，进行动刚度计算，结果如图所示。在我们关注的www.huisheliren.com频率范围有明显的改善，说明后隔板和轮罩的连接区域对右后悬置点的动刚度有较大影响。
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图3改进思路
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图4动刚度结果对比
依照这一思路我们进行了多种改进方案的尝试，如下图所示
原始方案
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图5原始方案
方案二增加连接板
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图6方案二
方案三强化连接板的结构，增加与后悬支架的焊点连接
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图7方案三
方案四增加连接板侧边与后隔板的连接
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图8方案四
结果如下图，方案四的成效最为明显，不仅仅提高了关注频率范围