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陈华 丰云秀
长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院CAE工程所 重庆 401120
摘要：副车架是影响汽车舒适性的重要因素之一。为了使副车架不与发动机产生共振，其一阶模态频率必须高于发动机引起的2谐次激励频率。本文以某轿车副车架为研究对象，运用HyperWorks分析并优化一阶模态使其满足目标值，降低产生振动噪声的风险。
关键词：副车架，共振，模态
汽车底盘性能主要是舒适性和操控性两大主题，而副车架又是影响这两大性能的重要因素之一。副车架通过接附点与车身连接，并通过安装在其上的悬置支架与发动机连接，所以副车架主要作用是阻隔路面及发动机产生的振动，避免其直接进入车厢。
由于大多数轿车前后悬置支架都是安装在副车架上，所以副车架模态直接决定着前后悬置支架模态。为了避免副车架与悬置支架在发动机激励下与发动机产生共振，副车架与悬置支架第一阶模态频率需高于发动机产生的2谐次惯性激励频率。以4缸发动机为例，运动部件产生的惯性激励频率为：
不考虑外力和阻尼的自由振动系统Laplace方程如：
将某轿车副车架及副车架上悬置支架的CATIA模型导入HyperMesh中，进行几何清理和网格划分。由于副车架及悬置支架是薄壁件，所以采用Shell单元，平均尺寸大小为5mm，焊缝采用RBE2刚性连接。有限元模型如图1所示。
计算中使用的材料属性如下：
弹性模量：2.1E+05Mpa
材料密度：7.9E+03Kg/m3
泊松比：0.28
约束副车架与车身接附点123自由度。
在HyperMesh中定义卡片，其中求解卡片采用S0L103，导出bdf文件。计算模态，得到结果OP2文件。在HyperView中查看模态阵型图，其中副车架一阶模态频率为157.4Hz，其也为悬置支架一阶模态频率，低于目标值200Hz。当发动机2谐次激励频率达到157Hz左右时，会引起副车架、悬置支架与发动机发生共振。共振能量很大，传递至车厢内，使驾驶员与乘客产生振动和噪声问题，引起不适。所以，需要通过CAE结构优化技术，使副车架悬置支架一阶模态频率高于发动机最高转速下产生的2谐次激励频率200Hz，达到避频目的。
根据第一阶模态阵型的应变能分布云图，判断变形位置主要在副车架前安装板与圈梁连接处。根据工程经验，在此处加一个加强件，左右对称。如图3所示。
根据第一阶模态阵型的变形趋势，运用HyperMesh中的HyperMorph模块将副车架圈梁及后横梁下表面向-Z向拉伸10mm，使其截面纵向加大。如图4所示。
将优化方案一与优化方案二综合，并计算模态。得到副车架上悬置支架第一阶模态频率为205.6Hz。其模态阵型图如图5所示。
通过结构优化，副车架上悬置支架第一阶模态频率从157.4Hz提高到205.6Hz，满足200Hz目标值。达到了副车架、悬置支架与发动机避频的目的。
|
|
原始模型 |
优化综合方案 |
变化 |
目标值 |
|
一阶模态（Hz） |
157.4 |
205.6 |
+48.2 |
200 |
本文通过HyperWorks中的HyperMesh建模，Hypermoph网格变形，HyperView后处理。将副车架上悬置支架一阶模态频率从157.4Hz提高到205.6Hz，增幅为48.2Hz，使其满足目标值，大大降低了副车架、悬置与发动机产生共振的风险，解决了由此类原因导致的振动噪声问题，保证了驾驶员与乘客的舒适性。通过CAE技术，为产品设计部门提供强有力的设计依据。
[1]庞剑，等．汽车噪声与振动．北京理工大学出版社 .2006
[2]张胜兰，等．基于HyperWorks的结构优化设计技术 . 机械工业出版社
[3]傅志方，等. 模态分析理论与应用 . 上海交通大学出版社
Modal Analysis and Optimization of a Subframe Base on HyperWorks
Chen Hua Feng Yunxiu
Abstract: Subframe is one of the important factors in comfort for frequency value of the first mode must be higher than the quadratic frequency value which engine induced, in order to avoiding sympathetic vibration between subframe and this paper, the first mode is analysed and optimized to satisfied target value, as well as reducing the risk of NVH based on subframe of a certain automobile using HyperWorks.
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