曾维和 苟黎刚 程林 尹道志 丁智

摘 要：文章利用虚拟试验：（Virtual Proving Ground，简称VPG）提取的路谱载荷，基于整车模型系统研究了车型1（轿车），车型2（跨界SUV），车型3（中大型SUV）三种典型车型在动载荷激励下车身开口对角相对变形情况，并将动态法计算结果与静态工况分析结果进行了对比。研究结果表明：车型1在比利时路面和共振路面工况下车身开口对角变形量相对较大;基于虚拟路面动载荷激励法与车辆实际服役工况更接近，计算的开口对角变形量远大于静态工况的计算结果;模态贡献量分析显示对车型1，2，3后背门处车身开口对角变形影响最大的模态频率分别是14.49Hz，20.48Hz，21.51Hz，模态贡献量分析结果可为进一步结构优化和性能提升提供参考依据。

关键词：整车模型;车身开口;对角变形;动载荷激励;模态瞬态法

中图分类号：U462.3  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）04-147-05

Study of Body Openings Diagonal Distortion Dynamic Simulation Basedon Trimmed Body Model

Zeng Weihe， Gou Ligang， Cheng Lin， Yin Daozhi， Ding Zhi

（ Geely Automobile Research Institute Ningbo Co. Ltd， Zhejiang Ningbo 315336 ）

Abstract： In this paper， Virtual Proving Ground Technology was utilized to obtain roads load. Based on trimmed body model， body openings diagonal distortion of three typical vehicles–a Car， a Crossover SUV and a large SUV was simulated with dynamic road excitation. The body openings diagonal result calculated from dynamic method was also compared with the static load case. The research result indicated that： Body openings diagonal distortion was relatively large of Vehicle 1 under Belgian Pave Road and Resonance Road. Dynamic excitation simulation based on virtual roads load was much closer to actual auto driving conditions compared with static load case， the body openings diagonal distortion calculated from dynamic method was far greater than static load method. Modal contribution analysis result shown that the most influential modal frequency to tailgate diagonal distortion of Vehicle 1， Vehicle 2， Vehicle 3 respectively was 14.49Hz， 20.48Hz， 21.51Hz. Modal contribution analysis result can also provide reference for further structure optimization and performance improvement.

Keywords： Trimmed body model; Body openings; Diagonal distortion; Dynamic load excitation; Modal transient method

CLC NO.： U462.3  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）04-147-05

1 引言

异响（Squeak & Rattle）是汽车NVH问题的一项重要内容^[1-2]，随着消费者对汽车产品感知质量、乘坐舒适性要求日益严苛，异响问题已成为人们关注的焦点。为提升产品品质，节约研发成本，国内外研究学者、企业工程师们对异响进行了大量的分析研究^[3-5]。如俞云云等人^[6]基于Hyperworks SnRD模块预测评估主副仪表板在鹅卵石路面载荷激励下发生尖叫异响的风险概率，并经模态贡献量分析，指导主副仪表板进一步优化设计;Jens Weber等人^[7]发明了一种E_Line方法-基于时域动载荷激励，使用模态瞬态法计算内饰相邻零部件分缝位置相对位移随时间响应，仿真分析主仪表板發生Squeak & Rattle的风险，并通过试验校核测试，验证了该方法的准确性和有效性。

Ford汽车公司根据新车异响问题抱怨率的统计数据研究发现^[8]：开口对角变形作为评价车身坚固性的一项性能指标，车身扭转刚度与NVH舒适性相关，异响问题抱怨率与车身开口对角变形强相关，开口变形越小，刚度越高，抱怨率会下降。车身开口对角变形过大，设计研发初期不加以控制，在实车上验证阶段可能出现下列问题：开闭件与车身之间敲击异响（Rattle）;密封条与车身间相互摩擦挤压导致尖叫异响（squeak）;车门密封不严，车内噪声增大，NVH问题显著，严重影响客户体验和乘客舒适性。因此，关注车身开口变形并加以控制对提升产品品质，规避NVH异响问题具有现实意义。福特汽车E. Y. Kuo等人对出现异响问题的车辆故障原因进行过分析统计发现^[9]：55%与车身开口对角变形有关，在汽车研发设计早期阶段对开口对角变形性能指标加以关注和控制，可以降低车型上市后异响问题抱怨率，能规避尾门门锁处敲击异响问题^[10]。E. Y. Kuo等人虽已对白车身开口对角变形进行关注，但对开口变形的仿真计算都是基于静态法的，不能体现车辆实际服役工况下车身变形情况。车辆在路面行驶过程中，车身受力情况复杂，路面载荷激励是动态变化的，静态法计算无法考虑车辆实际行驶在路面上时，车身结构所受载荷大小，载荷相位和车身振动模态频率的影响^[11]。

为综合考虑车辆实际使用状态下，影响车身开口变形的各项因素，本文利用整车模型，基于模态瞬态法仿真研究了三种典型车型（轿车，跨界车，SUV）车身开口对角变形随动载荷激励的时间响应，以期为规避开启件（侧门、后背门、天窗）异响问题，指导提升产品质量和客户满意度提供解决思路。

2 仿真模型与方法

本文中选取了三种代表性车型-轿车（车型1），跨界SUV（车型2），大型SUV（车型3），分别基于路面动载荷激励法（简称动态法）和静态工况（简称静态法）对比分析了这三款车的车身开口对角相对变形量。

2.1 动态法

虚拟试验场（Virtual Proving Ground，简称VPG）技术日趋成熟，已被广泛应用于汽车研发前期阶段载荷仿真预测^[12]，VPG仿真的载荷可作为模态瞬态法计算车身疲劳的载荷激励^[13-14]。本文基于VPG技术，获取车身与底盘接附点载荷，然后将仿真得到的时域载荷施加在车身硬点位置。某SUV车型加载点位置示意图如图1，其在比利时路面工况时前减震塔处X，Y，Z向时域载荷信号如图2所示。

使用模态叠加法（NASTRAN SOL112）求解计算獲得各开口对角线两点相对变形在路面动载荷激励下的时域响应。本文中关注的车身开口对角线位置示意如图3，包括左侧前/后门洞开口，右侧前/后门洞开口和后背门开口处，对于带天窗版车型需额外对天窗开口对角变形加以关注。

所重点关注的车身开口对角线定义及其标记命名简称对照见表1。

2.2 静态法

目前，各主机厂在汽车研发阶段对车身开口对角变形的研究是基于扭转刚度计算工况监测其对角相对变形量^[8-10]。扭转工况信息如下：前防撞梁中间位置约束YZ方向自由度，左后减震塔约束XYZ三向自由度，右后减震塔约束Z方向自由度，左/右前减震塔分别施加+/-3000N大小的力，载荷及约束示意图如4所示。

静态计算时测量的车身开口对角线与动态法保持一一对应，示意图如图5。

3 结果分析与讨论

3.1 路面工况对车身开口对角变形的影响 

路面工况不同，车身所受载荷差异较大，车身开口对角相对变形随时域响应亦呈现出较大差异。图6列出了车型1后背门开口对角相对变形在不同路面下随时域的响应曲线。

根据计算得到的车身开口对角线两点相对变形随时间的响应，然后统计出各对角变形在不同路面下响应的最大值，得到各路面下的开口对角最大变形量。图7列出了某款轿车（车型1）在高速制动路面（High Brake）、环形比利时石块路（Belgian Circular Pave）、中等石块路（Middle Pave）、鹅卵石路（Snake Cobble）、过坑路（Pot Holes B）、共振路（Resonance）、50km/h制动路面（Brake 50 to 0）等7种路面载荷信号激励下前门/后门/后背门开口处对角最大变形量。比较不同路面工况下各开口对角变形可知，尾门处的开口对角变形最大;其中在共振路面下最大变形达到了1.39mm，在环形比利时石块路面上，尾门开口对角最大变形达到1.23mm。在共振路和比利时石块路上行驶时，车身受到连续扭转和弯曲，且这两种路面频率与车身频率接近，这时车身开口对角变形较其他路面大，更易发生异响。

3.2 动态法车身开口对角变形结果与静态法比较

比利时路面作为整车异响性能开发中异响诊断最常用的一种特征路面;在比利时路面载荷激励下，此路面上载荷频率较高且集中，车身受到连续不断的弯曲和扭转，车身开口对角相对位移随时间的变化也较急剧。图8，图9，图10分别列出了车型1，车型2，车型3的前门、后门和后尾门开口处对角相对变形量随时间的变化。

图11，图12，图13分别列出了车型1，车型2和车型3在比利时路面载荷激励下车身开口处各对角线的最大相对变形值，并将动载荷激励法的分析结果与静态工况计算的开口对角变形量进行了比较。

结果显示：在比利时路面工况下，车型1的尾门开口对角相对变形最大达到了1.23mm（图11）;车型2左前门开口变形2.43mm，后背门开口对角相对位移最大达2.03mm（图12）;车型3为中大型SUV，后背门开口尺寸远大于车型1，2，其后背门处开口对角相对位移最大达到了3.32mm（图13）。另外，由图11，图12，图13清晰可见：使用动态法计算的各个车型的车身开口对角相对变形均远大于静态工况的变形值;主要原因在于：模态瞬态法计算能考虑车辆在路面行驶时车身实际受力大小，还能综合考虑到载荷频率、相位和车身频率振动等影响变形的因素，动态法仿真与汽车真实驾驶工况更贴近。

3.3 尾门开口对角变形比较及模态贡献量分析

为方便对比各车型间开口对角变形对比，图14列出了车型1，车型2和车型3在比利时路面载荷信号激励下，后背门位置车身开口对角最大相对变形值。图14显示，各车型后背门处开口变形存在较大差异，SUV（车型3）的尾门处对角变形最大值达到了3.32mm，跨界SUV（车型2）尾门洞口对角最大变形2.03mm，远大于车型1（轿车）的对角相对值1.23mm，因此SUV后背门处比轿车更易发生异响，这与工程实践结果相符，在产品路试过程中发现SUV车型后背门发生异响问题确实比轿车更频繁。

基于模态瞬态响应求解器（NASTRAN SOL112）计算分别输出模态向量和模态坐标文件，在Meta后处理软件Squeak and Rattle模块中利用模态坐标和模态向量文件进行模态贡献量分析。

后背门开口处车身对角相对变形较大，发生异响的可能性越大，针对三款车型后背门开口处进行模态贡献量分析找出对后背门开口对角变形影响较大的模态频率，车型1，2，3模态贡献量分析结果见图15。

由图15可见，对车型1，2，3后背门开口对角变形影响最大的模态频率分别是14.49Hz，20.48Hz，21.51Hz。可根据此模态频率下的整车模态振型、应变能分布，为进一步结构改进、性能优化提供参考依据。

4 结束语

本文基于整车模型，根据VPG技术提取的路谱载荷，系统研究了3款典型车型在路面动载荷激励下车身开口对角变形。主要结论有：

（1）研究车型1在不同路面载荷激励下车身开口对角相对变形发现：在比利时路面和共振路面激励下车身开口对角变形相对较大，其中在后背门处开口对角最大变形分别达1.23mm、1.39mm。

（2）动态法计算的开口对角变形量远大于静态工况的变形量，使用动载荷激励计算车身开口对角相对变形可充分考虑载荷大小，载荷频率与相位，车身结构模态共振等影响变形的因素，与实际工况更接近。

（3）对比车型1，2，3后背门开口处对角变形发现：车型3（SUV）的对角变形量远大于车型1（轿车）;车型3后背门处比车型1更易发生异响。

（4）模态贡献量分析结果表明：对车型1，车型2，车型3后背门开口对角变形影响最大的模态频率分别是14.49Hz，20.48Hz，21.51Hz。

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