客车车身结构动力学、声学CAE关键技术研究

【摘要】： 在江苏省十五科技攻关项目和国家自然科学基金项目支持下,本文以依维柯A40新客车开发为结合对象,系统地研究了整车车身结构有限元建模、基于模态试验的动力学模型修正、车身结构动静态分析及优化、车身结构与车内声场的声固耦合分析、车身蒙皮结构的表面阻尼处理有限元建模及声辐射预测等客车车身结构设计动力学、声学CAE关键技术,论文的主要内容和创新点包括: 1.基于对车身结构点焊、缝焊、铆接等联接方式的研究,建立了一个能够准确模拟车身结构动力学性能、计算规模控制在计算机可接受范围、并兼顾建模效率的以壳单元为主的依维柯A40新客车白车身详细有限元模型,该模型包含有10万多单元、60多万自由度和885组实常数。通过对车身典型点焊结构和零部件的模态试验,修正模型结合面特性参数,提高了整车建模的准确性。 2.设计并成功进行了依维柯A40新客车白车身模态试验,获得了其动力学特性。基于线性广义特征值问题的矩阵摄动重分析,指出了对结构摄动修改的最灵敏位置。以试验结果为依据修正了白车身有限元模型,修正后模型前3阶固有频率的理论计算与试验值之间误差平均值小于3%,振型精确相符,保证了所建有限元模型与车身实际结构动力学特性相符。 3.由试验研究和有限元分析结果,指出了车身初始设计时存在的问题,提出了相应的改进措施,并进行了结构改进后的白车身模态试验,结果表明白车身前几阶固有频率均得到明显地提高,即改善了其动力学性能。 4.在白车身模型上附加乘员、座椅、行李、油箱、空调、玻璃、发动机等载荷后,模拟仿真了客车在静态弯曲及弯扭组合工况下的响应,获得了相应的应力和变形;完成了客车在通过正弦波形路面时的车身时域瞬态响应模拟分析,获得了车身上任一点任一时刻应力和变形的时间历程。对车身局部应力集中区,进行了动态应力测试试验,测量结果与有限元分析结果基本吻合,为进一步改进车身结构、克服薄弱环节提供了理论依据。 5.提出了动、静态灵敏度分析的子结构法,根据灵敏度分析结果找出对目标函数影响较大的参数作为优化设计变量,利用ANSYS的优化功能,通过APDL参数化设计实现了10万多单元和近60多万个自由度、885组实常数、309个设计变量的白车身动、静态优化设计,提高了分析效率,节约约50%的计算时间,为大型结构动、静态灵敏度分析及优化找到了一种高效并切实可行的分析方法。 6.建立了较详细的轻型客车车内声空腔及车身结构声场耦合的有限元模型,进行了模态和谐响应分析,描绘出了依维柯A40新客车车内空腔的声学特性;掌握了其车身结构声场耦合情况;对车辆静止时发动机激励下车内低频噪声进行了预测,预测结果与实际测量结果能较好地吻合,说明所建模型是正确的,分析思路是可行的。为实现轻型客车车内低频噪声的有效预测进行了有益的探索。 根据车内噪声测量及分析结果,提出了减振降噪措施,有效降低了车内噪声,使此车型车内噪声水平在国内同档次车型上处于领先水平。 7.提出了车身蒙皮结构的表面阻尼处理减振降噪方案,采用整体划分单元法建立了自由阻尼和约束阻尼处理薄壳和壳梁组合结构的有限元模型,导出了单元的刚度和质量矩阵,并用变形能法估计出结构敷设了阻尼层之后的模态损耗因子。 提出了表面阻尼处理板壳结构声辐射分析的微元算法。算例表明,用此方法分析表面阻尼处理结构的声辐射是可行的,为表面阻尼处理板壳结构的声辐射预测问题提供了有效的解决方法。 基于声结构耦合理论,对轻型客车内蒙皮局部表面阻尼处理前后的腔内噪声对比分析,量化表面阻尼处理的减振降噪效果,为车身蒙皮表面阻尼处理结构设计提供理论支持。 论文的研究工作,有力地支持了依维柯A40新客车车身的开发,并于2005年2月通过江苏省科技厅鉴定,成果达国际先进水平。该车定型后现已批量投放市场,深受用户欢迎。本文研究结果对其他客车车身开发也有普遍意义。