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: 3102| 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Hz

带详TB模型

25.54

去掉TB模型

29.06

RBE3-CONM2替代后座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



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