一种改进复杂结构低频振动性能的方法与流程

本发明涉及一种对复杂结构低频振动寻找振动根源以及改进的方法。

背景技术：

随着我国经济社会持续快速发展，机动车保有量继续保持快速增长态势。据公安部统计，截至2018年12月，全国机动车保有量达3.25亿辆。汽车越来越成为人们生活中不可或缺的一部分。人们对汽车品质的要求也逐年提高。汽车nvh(noise、vibration、harshness)性能是评估汽车舒适性能的重要指标之一，同时也是衡量一辆汽车品质的关键因素。世界著名的产品质量评估机构j.d.power在评价汽车质量时，有近三分之一的质量指标与汽车的nvh性能有关。由此可见汽车的nvh性能已经成为人们评价一辆汽车品质的核心指标之一。汽车作为一个复杂结构，产生振动噪声问题的原因多种多样，经常很难查找产生问题的根源。尤其是低频振动噪声(低于200hz),由于波长较长穿透能力强，难以衰减，从而难以解决。本发明基于复杂汽车结构，总结出一套寻找低频振动根源并解决的流程方法，降低了成本，提高了结构性能。

汽车车身结构通常由冲压成型板件组成，板件厚度是其重要的也是基本结构参数，也是特征参数，对车身性能有显著影响。为了识别并筛选影响车身性能的关键板件，以厚度为特征参数，建立车身结构灵敏度分析方法以获得车身关键件灵敏度排序是一种行之有效的方法。应变能应变能是指物体变形过程中储存在物体内部的势能，利用振型和刚度计算得到的应变能称为模态应变能(mse)，模态应变能是结构刚度和振型的函数，当结构中存在局部刚度与整体刚度不匹配的区域时，模态应变能可以较好地指示出来。采用灵敏度分析结合应变能指示的方法，找出车身振动的根源，最后采用结构优化的方法，提高了结构性能。

技术实现要素：

为了更好地解决汽车低频振动的问题，本发明提供了一种对复杂结构低频振动寻找振动根源以及改进的方法。此方法有利于整车厂在设计研发初期对于车辆的nvh性能进行改进，降低研发成本。

本发明的技术方案如下：

本发明提出了一种改进复杂结构低频振动性能的方法。首先采用试验模态分析法得到该汽车结构的试验模态与振动频率响应函数，所述试验系统包括激振器、测试系统、测试电脑和三向加速度传感器等。然后通过有限元建模技术搭建车身结构有限元分析模型，经过模态对标分析，确认模型的准确性和可靠性，并计算有限元模型的模态以及振动频率响应函数，确定需要改进的问题频率值。针对振动频率响应函数峰值异常的频率，开展基于板件厚度的灵敏度分析，找到车身设计局部刚度与整体刚度不匹配的板件。再根据该频率下模态应变能在该板件上的集中分布区域，采用结构优化的方法，大幅降低了问题频率振动峰值幅值，获得了良好的效果，提高产品性能，缩短研发与制造周期，降低成本。

本发明方法主要步骤包括：

步骤1：搭建试验平台，采用试验模态分析法得到该汽车车身结构的试验结构模态与振动频率响应函数；

步骤2：有限元建模技术搭建车身结构有限元分析模型，进行有限元仿真分析，得到仿真结构模态与振动频率响应函数；

步骤3：基于实际车身结构与试验模态，进行模态对标分析，确认有限元模型的准确性和可靠性；

步骤4：基于对标完成的有限元模型，针对振动频率响应函数峰值异常的频率，开展基于料厚的板件灵敏度分析，找到车身设计局部刚度与整体刚度不匹配的板件；

步骤5：再计算车身结构在该频率下模态应变能，找出在该板件上的应变能集中分布区域；

步骤6：对于该板件应变能集中的区域，采用结构优化的方法，大幅降低了问题频率振动峰值幅值，并对优化方案进行验证。

步骤1具体包括：搭建试验平台，具体包括：1)对车身采用空气弹簧支承方式，其中要求空气弹簧的共振频率小于3hz，减少试验时，结构干涉对试验的影响，保持车身稳定，使白车身接近于自由状态。2)在车身的主要板件及关键点处布置三向加速度传感器。3)采用激振器在车身悬置处激励。3)传感器将振动信号传至测试系统通过参数辨识以及稳态图和模态指示函数的验证，得到各阶模态频率、阻尼比、振型描述及振型图以及频率响应函数，确定频率响应函数峰值过高对应的问题频率。

进一步地，步骤2具体包括：采用前处理软件建立车身结构有限元模型，采用lanczos方法提取模态，进行0-60hz范围内自由模态分析，得到车身结构主要整体模态频率及振型。并分别建立车身频率响应函数对应的激励力载荷和约束工况，设置结构响应输出，采用有限元求解软件实现车身性能仿真分析，完成初始模型的性能评估。

进一步地，步骤3具体包括：计算试验模态振型和有限元仿真模态振型的模态置信度mac值以及整体模态频率的差值，通过对质量，网格，连接关系的校对调整，保证mac值在0.8以上，频率差在5％以内，即得到可信度较高的有限元模型。

进一步地，步骤4具体包括：基于步骤3模态对标，得到可靠有限元模型，开展灵敏度分析，在前处理软件下以车身结构质量为约束条件，以车身结构频率响应函数的问题频率幅值为优化目标，提取板件厚度参数为设计变量，建立板件厚度灵敏度分析模型，进行优化求解，得到板件厚度灵敏度排序，分别对影响性能的关键板件的厚度进行筛选，找到车身设计局部刚度与整体刚度不匹配的板件。

进一步地，步骤5具体包括：计算车身结构该频率下的模态应变能，在灵敏度分析得到的关键板件上，找到应变能集中区域，进而确定结构的薄弱环节。

进一步地，步骤6具体包括：基于步骤4和5得到的关键板件的关键区域，对此位置，进行结构优化，并验证。

另外本发明提供了一种改进复杂结构低频振动性能的设计系统，所述系统包括如下模块：

试验测量分析模块：包括激振器测试系统、测试电脑和三向加速度传感器，用于搭建试验平台，测试车身的模态频率，模态振型以及频率响应函数等。

cae仿真分析模型模块：用于搭建车身结构有限元分析模型，进行车身性能仿真分析，计算车身仿真模态和频率响应函数。

灵敏度分析模块：利用灵敏度分析技术，开展板件厚度灵敏度分析，找到车身设计局部刚度与整体刚度不匹配的板件；

应变能分析模块：利用模态计算结果，输出模态应变能，在该频率下，找到的关键板件上，找到应变能集中区域，进而确定车身的薄弱环节和关键设计区域。

本发明所述的一种对复杂结构低频振动寻找振动根源以及改进的方法与系统的优点如下：

1、复杂结构低频噪声与振动问题难以解决很大程度上源于结构错综复杂，相互作用从而难以找到引发问题的根源，本方法能帮助研发人员在设计初期避免和改进原有设计结构产生的低频振动问题，并解决可能随之带来的低频振动引发的低频噪声问题。

2、本方法的优化设计是基于试验结果，能够复现试验存在的问题的有限元模型的一套完整解决低频振动问题的流程，更加可靠和实用。

附图说明

图1为；本发明的流程图；

图2为：试验示意图。

图3为：灵敏度分析结果图；

图4为：应变能分析结果；

图5为：结构优化图。

具体实施方式

本发明方法实现的流程如图1所示：

步骤1：试验模态分析

搭建试验平台，采用试验模态分析法得到该汽车车身结构的试验结构模态与振动频率响应函数；

步骤2：搭建cae仿真分析模型

有限元建模技术搭建车身结构有限元分析模型，进行有限元仿真分析，得到仿真结构模态与振动频率响应函数；

步骤3：模态对标

基于实际车身结构与试验模态，进行模态对标分析，确认有限元模型的准确性和可靠性；

步骤4：灵敏度分析

基于对标完成的有限元模型，针对振动频率响应函数峰值异常的频率，开展基于板件厚度的灵敏度分析，找到车身设计局部刚度与整体刚度不匹配的板件；

步骤5：应变能分析

再计算车身结构在该频率下模态应变能，找出在该板件上的应变能集中分布区域；

步骤6：结构优化

对于该板件应变能集中的区域，采用结构优化的方法，大幅降低了问题频率振动峰值幅值，并对优化方案进行验证；

下面结合附图，以某汽车结构频率响应函数局部频率振动幅值过高为例，对本发明进一步说明，

具体实施步骤如下：

步骤1：搭建试验平台，具体包括：1)对车身采用空气弹簧支承方式，其中要求空气弹簧的共振频率小于3hz，减少试验时，结构干涉对试验的影响，保持车身稳定，使车身接近于自由状态。2)在车身的主要板件及关键点处布置三向加速度传感器，车身布点选点要足以覆盖车身主要板件，可以勾勒出车身轮廓，避开振型节点处。3)采用激振器在车身悬置处激励，包括x，y，z三向激励。3)传感器将振动信号传至测试系统通过参数辨识以及稳态图和模态指示函数的验证，得出各阶模态频率、阻尼比、振型描述及振型图以及频率响应函数，确定频率响应函数峰值过高对应的问题频率，如图2所示。

步骤2：采用前处理软件hypermesh建立车身有限元分析模型，采用lanczos方法提取模态，在0-60hz范围内进行自由模态分析，得到车身结构主要整体模态频率及振型。并分别建立车身频率响应函数对应的激励力载荷和约束工况，设置结构频率响应输出，采用nastran求解软件实现车身性能仿真分析，完成初始模型的性能评估。

步骤3：计算试验模态振型和有限元仿真模态振型的模态置信度mac值以及整体模态频率的差值，通过对质量，网格，连接关系的校对，反复调整，保证mac值在0.8以上，频率差在5％以内，即得到可信度高的有限元模型。最后设置同等的工况下，复现试验出现的幅值过高问题，以及对应频率的振型一致性。

步骤4：基于步骤3模态对标，得到可靠有限元模型，开展灵敏度分析，在前处理软件下以车身结构质量为约束条件，以车身结构频率响应函数的问题频率幅值为优化目标，提取板件厚度参数为设计变量，建立板件厚度灵敏度分析模型，采用nastran软件进行优化求解，得到板件厚度灵敏度排序，如图3所示。然后分别对影响性能的关键板件的厚度进行筛选，找到车身设计局部刚度与整体刚度不匹配的板件。灵敏度分析结果发现，在101hz下，对该车身结构频率响应函数影响最大的板件是中央通道(图3中20号板件)。

步骤5：计算车身结构该频率下的模态应变能，中央通道的模态应变能普遍集中在其开孔区域及拐角处，如图4所示，为进而确定结构的薄弱环节，故选择性对其相应区域进行加强。

步骤6：基于步骤4和5得到的关键板件的关键区域，对此位置，采用加强板的方式进行结构优化，如图5所示，效果降低幅值达到30％以上，加强板重量一共为782g。

综上，通过上述车身结构振动性能优化设计过程，在不明显增加车身质量的同时，大幅降低了振动幅值，说明了本发明的有效性。