基于OptiStruct软件内饰车身振动传递函数分析及优化

1 引言

       随着汽车市场竞争的日益激烈，消费者对汽车的乘坐舒适性和驾乘环境的要求越来越高^[1]，NVH性能作为重要的法规和竞争指标在产品竞争中体现的越来越举足轻重。振动噪声控制和研究更加受到重视，作为整车性能开发，对于车内振动噪声最为关心的主要是低频振动和噪声。

       在设计阶段对内饰车身进行振动传递函数分析，是缩短产品开发时间的必要的步骤。基于OptiStruct操作平台NVH分析为汽车零部件设计提供了先进手段，通过内饰车身VTF仿真分析，可以找到在设计阶段的问题。这不但可以大大缩短汽车的研发周期，而且能够节约开发成本。本文通过对某全新SUV右悬置安装点结构优化，来降低汽车研发过程中结构振动风险，可有效改善整车NVH性能，对于保证开发质量，缩短开发周期都有重要的意义。

2 模态贡献理论基础

       在模态坐标下，不同的模态阶次之间无耦合现象^[2,3]，结构相应可可简化成每阶模态的贡献量之和。

       式中，{y}代表所有结构响应；{φ_r}代表第r阶结构模态；q_r对应第r阶模态对应模态坐标，为各阶模态在所有结构模态中的比重，即该阶模态的响应贡献量。

       在实模态系统中，第r阶模态模态坐标q_r可表示为

       式中，{F_r}，k_r，m_r，c_r分别代表着第r阶模态力，模态刚度，模态质量，模态阻尼。

       对于一个确定的系统而言，当各阶模态参数确定后，即可由上式求得各阶模态任意响应的模态贡献量。 

3 计算案例

       3.1 右悬置VTF计算仿真

图1 右悬置VTF仿真结果

       某SUV在加速至1200rpm时出现方向盘抖动现象，在其改款车型的开发过程中，运用OptiStruct软件对原型车的方向盘抖动问题进行排查，CAE分析部通过建立内饰车身有限元模型进行振动传递函数分析，如图1所示为右悬置VTF仿真结果，发现发动机右悬置Z向激励时，方向盘12点钟方向的VTF在42Hz附近有明显峰值超标，与实车状态下的方向盘抖动频率基本接近，初步判定该峰值是由右悬置路径下的激励引起。

       3.1 右悬置VTF模态贡献量分析

       使用OptiStruct软件的PFMODE卡片，右悬置VTF模态贡献量计算曲线如图2所示，分析该路径VTF分析在42Hz时的峰值模态贡献量。

图2 模态贡献量计算曲线

       如图3所示，右悬置点到方向盘12点方向路径VTF分析42Hz时峰值模态贡献最大的前10阶模态，其中贡献比较大的两阶模态分别是第74阶和第83阶，因此模态控制以降低这两阶模态贡献入手。

图3 右悬置VTF在42Hz时模态贡献量

4 转向系统优化验证

       查看TB状态下模态振型，如图4所示，这2阶模态均为方向盘模态，且整车状态下测试的转向系统模态也比较偏低，因此需要提高转向系统模态来减小抖动风险。具体优化方案如图5所示，通过增加图示位置管柱壁厚和增加安装点数目来提高转向系统的模态。

图4 TB模型第74阶振型图

图5 转向系统优化区域展示

       将优化后结果重新进行右悬置Z向VTF计算，优化结果如图6所示，该加强方案有明显的改善效果，在42Hz时的峰值经优化满足目标要求。

图6 优化后右悬置Z向VTF仿真结果

5 分析与结论

       基于OptiStruct软件对某SUV内饰车身（Trimmed Body）进行振动传递函数仿真分析，通过模态贡献量分析，确定引起VTF峰值的主要贡献模态，有针对性对结构薄弱点进行优化，优化结果显示该车在42Hz时的峰值优化后满足目标要求，因此，基于OptiStruct软件的模态贡献量分析可准确找出整车的结构薄弱点，对预防整车结构振动控制有很大的使用价值，可大大缩短汽车研发周期，而且能够节约开发成本。

6 参考文献

[1] 王江涛,靳春梅,顾彦,轿车蓄电池支架 NVH 性能优化分析,汽车与配件，2009 (31) :24-25 
[2] 傅志方, 华宏星.模态分析理论与应用 [M]，上海交通大学出版社，2000.07.12-13. 
[3] 宋文, 梁跃, 高爱军等. 基于模态贡献量法支撑结构振动控制方法[J].鱼雷技术, 2015, 23(6): 439-443.