汽车车身振动优化-汽车车身结构与设计

（1）车身整体振动模态分析。无阻尼线性系统的一般运动都可以表达为各阶固有振型的线性组合。对应于较低频率的固有振型（低阶振型），对构件的动力影响大于高阶振型，也就是说，低阶成分的能量比较大，而且求解系统的高阶特征值，势必花费更多的计算时间。因此，对于一般车身结构，在模态分析时只求低阶的振动频率和振型，只有研究噪声特性时，才需要计算中、高阶频率。

车身系统的低阶振型可能是扭转振型或弯曲振型。某些大型轿车的非承载式车身结构，最低阶的振型可能是低于20 Hz的扭转振动，而整体扭转刚度较大的车身结构，最低阶振型可能是车身的垂直弯曲振型。对于承载式车身，一般要求一阶频率大于40 Hz。如图8-1所示为车身一阶弯曲振型（有两个节点，频率为20～40 Hz）及二阶弯曲振型（有三个节点，频率为30～50 Hz）。

图8-1 车身的弯曲振型

如图8-2所示为轿车激振频率与固有频率分布图（假设各子系统固有频率是不耦合的）。由图可知，车身低阶模态频率为20～50 Hz。汽车在轮胎上的振动频率及发动机在其悬置上的振动频率等，与车身低阶模态频率很接近。因此，车身设计要非常注重结构低阶模态频率的设计，注意提高车身整体的刚度和部件刚度，通过修改结构，使车身或部件的模态频率避开激励频率，以防止共振。此外，通过模态振型可以判断出车身振动变形较小的部位，在该部位（节点处）振动响应较小。如果将动力总成等悬置点设置在这些部位，则从隔振的角度看是有利的。还应注意到，在车身装上内饰件后，车身的扭转和弯曲频率最多可分别下降15%和25%。

图8-2 轿车激振频率与固有频率分布图

整车开发过程中，为了消除共振现象，一般通过合理的模态规划，使各个零部件的模态不出现在同一频率，使得车身结构难以激起共振。

（2）车身板壳的局部振动模态分析。刚度差的大型覆盖件容易在振源激励（如发动机的振动、汽车行驶时传动系的共振及噪声波的冲击等）的作用下，引起板壳（如轿车前后地板等）的强迫振动。当激振频率接近车身内外板的固有振动频率时，将发生板壳共振。车身大型板件的共振频率通常为40～300 Hz或更高的范围。板件振动造成的辐射声和车室内空腔体积的变化（引起气动压力变动），是产生车内噪声的重要原因。例如：轿车地板的共振频率为50～60 Hz，共振时发出敲鼓式声响。

由薄板振动理论可知，四边简支长方形板，其固有振动频率ωn为

式中，a和b为板的长度和宽度；m和n为沿板边a方向和板边b方向的振动阶数；ρ为材料的密度；t为板的厚度；D为板的弯曲刚度或抗挠刚度，则(www.xing528.com)

式中，μ为泊松比；E为材料的弹性模量。

对应不同的，m和n值，可计算出相应的各阶固有振动的频率和振型。低阶振动频率是最主要的，因为大部分噪声是由低阶振动引起的。

长方形板的最低阶频率f 1（m=1，n=1）为

由式（8—3）可知，如果板壳的材料厚度不变，则其固有振动频率几乎与板边尺寸的平方成反比。因此，可以用改变板边尺寸的办法来避免共振。振动波总是朝刚性最差的方向前进，而冲压肋和棱线能切断路径，使振动受到抑制。

（3）车身振动响应分析。计算响应时，应该采用车身整备模型（包括汽车上所有非结构的标准装备质量的模型），建立整车仿真计算模型，并输入激振力或道路功率谱密度函数，求得的可以是频域中的位移、速度、加速度、力或应力等频率响应。

计算振动响应时，除非研究噪声特性时需要计算中、高阶频率，大部分情况下只需取低阶车身模态振型的线性组合，其余高阶部分被截去，称模态截断，被截去的模态频率则称为截断频率。截断频率通常是根据估计外界随时间变化的道路载荷的频率范围，及所关注的结构本身的重要特征频率来选取的。一般取前十几阶就可满足精度要求，大于截断频率的载荷激励频率，也难以激起明显的振型，就是说激振力只能激起相对较低的激励频率所对应的部分振型。

对于复杂的车辆动态工况，用有限元软件来计算车身结构的振动响应问题是比较困难的，特别是机构的运动关系存在非线性特性，以及考查结构在车身运动过程中的应力情况时，有限元软件是不能直接解决这类问题的，需要采用有限元软件与动力学分析软件（如ADAMS）来联合建模。利用有限元分析软件生成模态中性文件，将其输入到动力学仿真软件中建立整车刚弹耦合模型，模拟各种行驶工况，并将动力学计算结果返回到有限元软件中，从而实现结构的振动响应分析。动力学软件能够帮助确定零部件之间的相互动力关系和作用力，但不能分析零部件的应力，需要通过有限元分析软件来进行。

一般是对车身等弹性部件采用有限元建模，对于底盘系统的多数部件采用刚体建模，然后将两者连接，从而建立刚弹耦合模型并分析其动力响应等。由于有限元模型自由度数目非常大，一般采用模态综合方法。将车身建立成弹性体超单元模型，车身超单元的外部节点就是合并到多体模型中时车身与底盘的连接点。底盘多刚体模型一般进行适当简化，保留行驶系的前、后悬架和车轮，以及对前悬架动力学有较大影响的转向系，省略制动系和传动系，将动力总成简化成一个刚体，固定在车身子系统上。将这些子系统装配成整车，得到整车刚弹耦合模型。

使整车模型在某级路面上行驶，计算车身与底盘各连接点处的作用力和车身质点垂向振动加速度等数据，选择所研究测点时间历程信号，经快速傅里叶变换得到的频域数据即可进行结构振动与低频噪声响应分析。