基于 HyperWorks 的 Trimmed Body 扭转模态优化

2016-3-30 13:57| 发布者: 勤杂工| 查看: 3220| 评论: 0

摘要: 本文基于HyperWorks软件平台，对某车型的TB扭转模态频率过低的问题进行了原因诊断，发现导致该问题出现的原因为后座椅一阶模态与TB扭转模态耦合。对后座椅骨架进行结构优化，提高了TB模型的扭转模态频率。

基于 HyperWorks 的 Trimmed Body 扭转模态优化

Optimization of Trimed Body torsional frequence Based on HyperWorks

陈红伟霍俊焱赵敬崔新涛

(天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心天津 300462)

摘要:Trimmed Body(TB)扭转频率接近发动机怠速工况激振频率时，会引起汽车的共振，在汽车研发阶段需要避免该情况的发生。本文基于HyperWorks软件平台，对某车型的TB扭转模态频率过低的问题进行了原因诊断，发现导致该问题出现的原因为后座椅一阶模态与TB扭转模态耦合。对后座椅骨架进行结构优化，提高了TB模型的扭转模态频率。

关键词: 后座椅模态 HyperWorks OptiStruct NVH

Abstract：When trimmed body (TB) torsional mode frequency is close to idle frequency, resonance will happen, a phenomenon that should be avoided. This paper researched the reason behind low torsional frequency based on HyperWorks. After research, it was found that the first mode of the rear-seat is coupled with TB torsional mode. After optimization of the rear-seat structure, the torsional frequency of TB is improved.

Key words: rearseat mode,HyperWorks,OptiStruct,NVH

1 概述

在新车开发阶段，为避免汽车运行过程中产生NVH问题，通常为TB扭转频率设定一个目标值，使其避开怠速工况频率。在某车开发过程中发现，TB扭转频率与后座椅一阶模态频率耦合，使得单纯从车身结构方面入手很难提升其扭转频率。本文针对以上问题，从后座椅本体入手，采用OptiStruct 软件对板厚进行尺寸优化，提升了后座椅的模态频率，进而提高了TB扭转频率，在设计阶段对可能出现的NVH问题进行了预处理。

2 TB 扭转频率偏低的原因分析

某车型在开发过程中存在扭转频率过低的问题，通过观察TB模型的模态振型，如图1，(为明显起见，仅显示白车身及后座椅），发现扭转模态与后座椅模态耦合，怀疑两者之间的耦合作用导致扭转频率偏低。为了验证是否为后座椅的问题，设计了两种实验，一是去掉后座椅，二是将后座椅以集中质量的形式连接到车身上，如图2，以集中质量的方法验证后座椅（见表1）是否对TB扭转频率产生重要影响。

去掉后座椅TB扭转频率上升至29.06Hz，后座椅采用集中质量（RBE3-CONM2）的形式连接到车身，TB扭转频率为28.99Hz，说明后座椅模态与TB扭转模态的耦合导致扭转频率偏低，去掉后座椅耦合影响，扭转频率得到明显提升，因此后座椅的模态优化是必要的。

表1 三种情况TB扭转频率的对比

模型	扭转频率（Hz）
带详细的座椅的TB模型	25.54
去掉后座椅的TB模型	29.06
RBE3-CONM2的形式替代后座椅的TB模型	28.99

图1 TB扭转频率与后座椅模态耦合图2 RBE3-CONM2的形式替代后座椅的TB模型

3 后座椅的结构优化

3.1 后座椅有限元模型的介绍

后座椅有限元模型包括座椅骨架，靠背、坐垫、头枕，其中靠背、坐垫、头枕采用集中质量CONM2的形式通过RBE3连接到骨架上。建模中钣金件之间的连接分别根据实际情况采用RBE2或直径为6mm的CWELD单元模拟。座椅实际中是可以旋转的，因此需要在转动处放开转动方向的转动自由度。建立好的座椅有限元模型包括22,205个单元，22,566个节点。

图3 后座椅有限元模型

3.2 尺寸优化

使用OptiStruct中的尺寸优化面板对后座椅进行尺寸优化，以图4所示部件的板厚做为设计变量，厚度变化范围为±50%，通过discrete dvs面板设置板厚的变化为离散性，每0.1mm作为一个增量，更好的贴合实际制造工艺。

约束后座椅与地板以及侧围连接部位六个方向的自由度，将约束的后座椅第一阶模态以及后座椅总质量作为响应，第一阶模态频率不小于32Hz为尺寸优化的约束，后座椅的质量响应最小为尺寸优化的目标，对模型进行优化。表2为优化前后设计变量厚度的变化，图5、图6分别显示了一阶频率以及质量响应的迭代历程。

图4 后座椅尺寸优化设计变量

表2 优化前后设计变量厚度的变化

comp	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
原厚度（mm）	2.0	1.6	3.2	3.2	3.2	3.2	3.6	3.2	3.2	3.6	1.6	1.6	3.2	5.0	2.9	3.2	3.2
新厚度（mm）	2.1	1.4	4.1	4.2	3.6	2.9	5.4	4.8	4.8	5.4	0.8	0.8	4.5	5.6	3.2	3.0	2.6

表3 设计前后质量和频率响应变化

模型	质量（kg）	一阶模态频率（Hz）
设计前	21.15	28.64
设计后	21.12	31.90

设计之后座椅一阶模态由28.64Hz上升到31.90Hz，由于设置容差为0.1Hz，因此满足设计目标要求。优化后模态频率提高3.26Hz，提升率为11.4%，质量减小0.03kg，优化效果比较明显。

图5 座椅一阶频率响应迭代历程图6 质量响应迭代历程

3.3 TB 扭转模态的提升情况

将优化后的后座椅重新装到TB模型上，对TB模型进行模态分析，得到的扭转模态如图7所示，扭转频率由原来的25.54Hz上升到26.94Hz，提高了1.4Hz。

图7 优化后整车扭转模态

4 总结

通过Altair HyperWorks平台的OptiStruct尺寸优化功能对后座椅一阶模态进行优化后，后座椅总重降低0.03kg，座椅一阶模态频率上升了3.26Hz，对应的TB扭转频率上升1.4Hz，在最大节省材料的同时，NVH性能有了较大提高，优化效果明显。Altair HyperWorks平台强大的前后处理功能在解决该问题的过程中发挥了重要作用，为工程师工作提供了必要的技术支持。

5 参考文献

[1] 张胜兰等编著.基于 HyperWorks 的结构优化设计技术.北京：机械工业出版社，2007 [2] HyperWorks Users Manual, Tutorials: Altair