赵广，麻桂艳，汤湧

（华晨汽车工程研究院白车身工程室，辽宁 沈阳 110141）

前言

全景天窗具有透光面积大、视野开阔的优点，已经成为目前中高端汽车的亮点配置，受到众多消费者的青睐。但由于全景天窗比普通天窗尺寸更大，导致白车身顶盖开口尺寸更大，无法布置横梁等加强结构，使得白车身刚度性能下降，扭转模态下降。白车身扭转模态不仅反映了汽车车身的整体刚度性能，而且是控制汽车 NVH特性的关键指标。在本文某SUV白车身产品开发仿真分析过程中，白车身扭转模态为39.3Hz，低于设定的目标值40Hz，需要进行优化，针对以上问题，通过进行结构优化，并采用CAE方法进行分析验证，在设计开发阶段提高了产品的性能，从而避免了相关的设计缺陷，大大的减少了设计周期和成本。

1　白车身模态

车身作为一个多自由度的弹性系统，其固有振动频率也就相应表现为无限多的固有模态，其低阶模态振型多为整体振型，如整体扭转、弯曲振型，高阶模态振型多为一些局部共振振型，如地板振型、车顶振型和侧围外板振型等。有时，由于车身的局部刚度低，也有一些局部振型在低频范围出现，或与整车振型同时出现。合理的车身模态分布对提高整车的可靠性和NVH性能等有着十分重要的意义[1]。模态分析的结果是各阶模态频率和振型，一阶扭转模态是评价的重要指标之一。

2　灵敏度

灵敏度是优化设计中某个设计变量的变化对整个系统状态的影响程度。当有多个设计变量时，优化前可根据灵敏度大小进行筛选和排序，剔除灵敏度较小的变量[2]。

本文中的灵敏度S=△f/△m，△f为白车身扭转模态变化量，△m为白车身质量变化量；当灵敏度较高时，结构方案对性能的提升显著，轻量化效果好。本文中定义灵敏度大于0.3时，结构性能较优，方案可以被采用。

3　模态优化的途径

模态优化一般有两种途径，一种途径是应用密度小的材料，如铝、塑料及超轻钢等做车身材料，以降低关注模态的模态质量；另一种途径是合理修改关键零件的结构形式与尺寸，以提高关注模态的模态刚度[3]。第一种途径受到生产工艺和成本等的影响，低端车型应用较少。第二种途径关键是找出影响模态的灵敏度较高的结构部位，进行结构优化，提高局部的刚度，进而提高整体的抗弯或抗扭刚度来改善该模态。本文采用第二种途径进行优化，通过对模态振型的分析，找出结构的薄弱位置进行合理的优化，并考察其灵敏度。通过对模态振型的分析可以明确优化的方向，减少优化的盲目性，提高优化效率。

4　结构优化与验证

本文优化的是某SUV的一阶扭转模态，此SUV配置了全景天窗，经CAE仿真模拟分析，扭转模态为39.3Hz，不符合项目需求的40Hz，经过对模态振型的分析，发现天窗开口周边应力较高，如图1所示。

图1　扭转模态应力云图

分析此处的结构，此处由顶盖外板和天窗骨架安装内板焊接，在开口拐角处没有加强结构，导致开口拐角和周边连接刚度不足。根据上述分析，通过在天窗开口拐角处增加 4个厚度为 1mm的加强件，用于加强天窗骨架，同时通过减震胶连接加强件和顶盖外板，增强连接刚度，如图2所示。经过优化后天窗开口周边应力明显变小，扭转模态也相应提高到39.57Hz。如图3所示，灵敏度分析见表1。

图2　结构加强方案

图3　扭转模态应力云图

表1　第一轮优化的灵敏度

对优化后的模态振型进行分析，发现天窗开口后部两侧应力仍然较高，通过增长后部加强件长度进行第二轮优化，如图4所示，再次分析，扭转模态也相应提高到39.71Hz。如图5所示，灵敏度分析见表2。

图4　结构加强方案

图5　扭转模态应力云图

表2　第二轮优化的灵敏度

再次对优化后的模态振型进行分析，发现天窗开口后部两侧应力仍然较高，天窗骨架相对侧围上边梁变形较大，分析此处的结构，由于顶盖和侧围连接方案限制，天窗骨架与侧围上边梁连接为面连接，没有截面结构，连接刚度较弱。根据上述分析并考虑焊接级次和工艺可行性，选用增加螺接结构的支架方案，用于连接天窗骨架与侧围上边梁，增加连接刚度，如图6所示，经过分析，模态提升到40.14Hz，如图7所示，灵敏度分析见表3。经过三轮的优化，扭转刚度能够满足开发需求。

图6　结构加强方案

图7　扭转模态应力云图

表3　第三轮优化的灵敏度

5　结论

本文通过对某款SUV车型扭转模态的分析验证，通过白车身结构的分析和对天窗骨架的结构优化，在设计阶段提升了扭转模态性能，达到了优化的目的。未来的车型开发中，全景天窗会成为主流趋势，车身的刚度性能会随着天窗的增大而下降，此优化方案和方法可以广泛应用于各全景天窗车型的扭转模态优化分析项目中，对采用全景天窗结构的车身设计起到一定的设计指导的作用。

[1] 朱茂桃,智淑亚.汽车车身现代设计[M].北京:国防工业出版社,2017,136.

[2] 孙凌玉.车身结构轻量化设计理论,方法与工程实例[M].国防工业出版社,2011,56

[3] 朱茂桃,智淑亚.汽车车身现代设计[M].北京:国防工业出版社,2017,134.