动刚度分析在底盘结构件设计中的应用

1 概述

随着消费者收入水平的提高，对汽车产品的舒适性需求越来越高，从而导致了在整车开发中对影响舒适性指标的振动噪声提出了更高的设计要求。在汽车行驶过程中，发动机和路面的激励通过汽车底盘上的连接点、车身、座椅以及其它部件，最终影响乘员的NVH主观感觉。汽车底盘零部件在整个传导链中重要的一环，对整车的噪声、振动(Noise，Vibration Harshness，简称NVH)性能中有着重要影响。

NVH测试试验虽然是一种可靠的方法，但必须要在样车完成之后才能进行试验并发现问题，然后解决问题。如果问题严重，还将带来开发周期的延长和巨额的设计变更费用，增加开发成本。NVH性能的仿真分析方法，其优点在于可以在没有实物样车的设计阶段，较为准确地评价汽车的NVH性能，并提出改进方案，尽可能在设计阶段解决可能存在的NVH问题。为最后得到NVH性能优良的汽车，在设计阶段就打好良好的基础。利用现有的Altair RADIOSS软件中的模态频率响应分析，可以对车辆的中低频NVH性能进行有效地分析及评价。

2 分析理论

频率响应分析可以实现对结构的动态特性分析，预测结构的持续动力特性，验证设计能否克服共振、疲劳及其受迫振动引起的结构破坏，是计算线形结构在稳态振动激励下的响应的方法。对于线弹结构，一般采用粘性阻尼或结构阻尼振动系统，阻尼的作用主要是转移系统的能量，结构阻尼主要是由于不完全弹性的结构材料的内摩擦和在结构的固定连接处，接触面之间的摩擦力引起的。根据汽车的结构形式，对汽车车身采用结构阻尼系统。在车身仿真分析中，车身的局部刚度常采用速度导纳进行评价。对于速度频率响应分析，常把载荷输入点与响应点取同一点，称为Driving Point Mobility，简称为Point Mobility。与Mobility密切相关的一个概念是动刚度，表征了结构在动载荷作用下抵抗变形的能力，动刚度不足将对车身疲劳寿命和整车乘坐舒适性产生非常不利的影响。一般情况下，在能够满足工程要求的基础上，悬置系统中隔振元件的Mobility设计的越高越好，而车身、车架等隔振件的连接件的Mobility设计的越小越好。

在分析动刚度时，一般使用模态频率响应分析法，模态频率响应分析的基本流程是先进行结构的模态计算，然后调用模态计算的结果，考察在设定的所要分析的激振频率范围内的频率响应。模态频率响应法计算响应就是利用结构的模态变形来减少方程数量及解耦运动方程的。通过模态频率响应分析可以求出结构在多种频率下的位移、速度、加速度响应，得出响应的频率响应曲线，进而实现对结构的动态特性分析。

3 分析模型

车身和底盘相连接的关键部位，需要其在汽车运行时能够承受一定的载荷，因此，为了能够满足车辆运行的需求，需要这些部位的局部动刚度满足一定的目标值要求，因此需要在自由模态和静刚度分析基础上获取底盘零部件安装点在稳态振动激励下的响应。底盘结构设计中，一些关键点，包括发动机悬置点、减震器安装点、拖曳臂安装点及副车架安装点等是向车身传递振动的主要来源，对车身的振动和疲劳破坏有重要的影响作用，因此分析关键点的动态特性具有重要的意义。

基于有限元分析方法，计算出底盘安装点在单位简谐载荷作用下的响应。利用Altair HyperMesh软件某车辆的前副车架有限元模型，均采用壳单元进行网格划分，模型如图1所示。

模型中采用计算中所使用的材料参数如下：

钢的材料参数：弹性模量：210Gpa，材料密度：7.8e-9ton/mm3，泊松比：0.3

4 分析方法

运用基于Altair RADIOSS的模态频率响应方法可以考察底盘结构对于整车的中低频NVH性能的影响，并可指导用于改进整车NVH性能的底盘结构的优化措施，在设计阶段解决潜在的NVH问题。

发动机是汽车的主要噪声和振动源，发动机振动可以通过底盘传到车身，并可在车内产生噪音，严重地影响到了乘坐的舒适性。汽车很多振动噪声的问题往往都可归结到发动机振动上。因此，汽车发动机悬置安装点的动态特性分析显得非常重要。

发动机作用在底盘安装点的载荷大小和方向具有随汽车运行状态而在宽频内变化的特征，因而要求该安装点的刚度特性也应具有随频率而变化的动态特性，即在低频内具有较大刚度来满足由于工况变化和路面不平等低频冲击引起的过大位移时的平衡需要：同时在中、高频内，又要求其刚度不应该太大且具有合适的阻尼，以便衰减发动机传入车身的振动。显然，传统的静态刚度校核方式不能满足上述要求，而且该方式也无法评价安装点对整个车身振动和噪声的声振灵敏度。

为了获得发动机悬置安装点的速度响应函数，首先建立底盘结构的有限元模型，并在悬置安装点施加载荷，然后利用RADIOSS软件的动力分析模块求解分析。

采用Altair RADIOSS软件的模态频率响应方法计算该安装点的动态刚度。用于分析的底盘副车架模型无约束，为自由状态，由于对副车架不施加任何约束，故该动态刚度能反映整个副车架的局部固有特性，本文采用3%的结构阻尼。将每个连接点的每个方向(X、Y、Z)的激励载荷定义为一个载荷工况，载荷为1N的集中力，频率范围为所关注的中低频率，同时将激励点定义为响应点，且响应自由度与激励自由度相同，例如Z向单位激励的输出为Z向速度响应。

以下为某车型的发动机前后悬置点的动刚度分析过程，得到该点的模态频率速度响应，图2是发动机前悬置安装点的Z方向上的Point mobility曲线，从上图2中可以看出，在500Hz以内有94Hz、209Hz、243Hz、292Hz 4个响应峰值，峰值的响应频率与自由模态的频率基本吻合。对应的图2是发动机后悬置安装点的Z方向上的Point mobility曲线，从图3的响应曲线上可以看出，在500Hz以内有94Hz、207Hz、245Hz、291Hz、354Hz有5个响应峰值与自由模态的频率基本吻合。

引起某个频率的响应峰值的原因是该频率下的刚度过低，可以通过优化改进该部件或局部区域的刚度来降低该响应峰值。

5 1/3倍频程分析

响应频谱分布由几个三分之一倍频程带内的速度响应组成，可以较好地反映此类振动的影响。采用1/3倍频程频谱分析能更详细地反映出频谱的特性。1/3倍频程测量结果简单实用，在测量分析中普遍应用。令△f为一个倍频程带宽，该频带内划分三个1/3倍频程，其带宽分别为△f1、△f2、△f3，各带宽之间关系式为：△f=△f1+△f2+△f3。对倍频程，有f上/f下=2，fc=1.414f上，△f=0.707fc。对1/3倍频程，有fi上/fi下=1.26，fic=1.123fi上 i=1，2，3，△fi=0.231fic。式中：f上、f下介分别为倍频程△f的上、下限频率，fi上、fi下分别为1/3倍频△fi的上、下限频率，fc和fic为中心频率。它们的关系为：f下= fi下，f上=fi上，fc=fic。由三式推出1/3倍频程与倍频程带宽关系式为：△f1=0.26△f，

图4是发动机前悬置安装点的Z方向上的1/3倍频程响应曲线，对应的图5是发动机后悬置安装点的Z方向上的1/3倍频程响应曲线。这个结果是更好的表示了车辆乘客对声压的最终响应。

频响分析大致分为三个范围。第一个范围到75Hz，基本上是由质量和结构重心控制。第二个范围是75Hz至200Hz，是一个全局的结构响应，这里要求1/3倍频程响应不超过目标。最后一个范围是大于200Hz，由局部结构模态响应控制。在设计开发过程中主要应用1/3倍频程作为结构验证和声学传递路径的分析工具。

6 结论

通过上述分析，可以得到Point Mobility分析可以较早地预测结构动态特性设计的不足，可以在开发的前期阶段，重点对结构进行修改，减少了后期阶段设计难度。通过对关键点进行Point Mobility分析，为关键点减振提供了重要的理论依据，同时可以缩短开发周期和降低开发成本。