Nastran在白车身厚度优化中的运用

1 概述

白车身的第一阶扭转模态值是一个非常重要的技术指标。一阶扭转模态频率值过低，在接近发动机怠速工况激振频率时，易引起整车共振，导致其NVH性能低下。如何在设计阶段应用CAE手段大幅度提高一阶扭转模态值，减轻车身的重量，缩短开发周期，节省开发费用，避免产品在投放市场时出现致命的质量问题，是迫切需要解决的课题。某厢式车在设计时发现白车身的第一阶扭转模态值低于目标值，通过对局部零件的修改，不能达到要求。单纯靠增加局部零件强度的方法已经不能根本地解决问题。

本文论述了通过对白车身材料厚度进行全局优化，在实现车身减轻重量和保证扭转刚度的同时，提高车身一阶扭转模态频率的方法。

2 有限元分析

在当前的设计状态下建立了白车身的有限元模型。模型中平均单元尺寸为10mm，焊点采用cweld单元模拟。整个白车身共有556906个节点， 539762个单元，白车身有限元模型的重量为272.4Kg。

先在该模型基础上进行了自由模态分析，得出第4阶模态为扭转模态。表1列出了前4阶模态的频率和振型。

表1 前四阶模态的频率和振型

再计算该模型的静态扭转刚度值。扭转刚度参照试验方案确定边界条件，用MPC 限制两前减震器安装支座中心点的位移，条件为在Z 方向的位移：Z1+Z2=0，即两点在Z 方向的位移大小相等，方向相反。约束后减震器安装平面各节点所有的位移自由度，即T1=T2=T3=0。在左减震器中心点上施加一绕车身中轴线的扭矩。位移的测量点P1 和P2 位于过两减震器中心点的铅垂面与前纵梁底面截线的中心处，其Z 方向的位移分别为D1 和D2；在过后减震器中心点的铅垂面与后纵梁底面截线的中心处也布置了两个测量点P3和P4，其Z 方向的位移为D3 和D4，P1 和P2 在水平方向的距离为L1，P3 和P4 在水平方向的距离为L2。

在扭转载荷作用下白车身的扭转角和扭转刚度的计算公式为：

α=(D1-D2)/L1-(D3-D4)/L2 （1）

K=M/α（2）

式中：M是扭转力矩，α是扭转角。

计算得其扭转刚度值：375759.4Nm/rad。

3 优化分析

MSC Nastran 的SOL200 求解器可以进行灵敏度和优化分析，本文即采用该求解器进行优化分析。第一轮以最小车身质量为目标，第一阶扭转模态（BIW的第四阶模态）值为约束条件，零件厚度为变量，运用MSC Nastran的优化模块进行优化分析。在优化计算时将零件厚度设定了离散变量。优化结果显示BIW第四阶模态满足了目标值，但该模态振型发生了改变，已不是扭转模态。

第二轮优化分析增加了静态扭转刚度为约束条件。通过静态扭转刚度分析结果反推D1和D2，同时限制第四阶模态频率值和D1（或D2）作为优化分析条件。结果显示，第4阶模态频率值增加到34.23Hz，仍为扭转模态；由扭转刚度计算公式，优化后模型的静态扭转刚度为431317.8Nm/rad，提高了14.79％，满足设计要求。同时，车身质量同时下降了4.23Kg。

下表为优化前后部分零件的厚度对比。

表2 优化前后零件的厚度对比

4 结论

通过对白车身各零件进行全局优化分析，能够在减小车身重量的同时提高第一阶扭转模态频率值和静态扭转刚度值，为设计更改提供很好的借鉴和依据，有效地节省设计更改以及试验所花费的时间和成本。 (end)