柏国杰，李龙伟 ，黄传海 ，彭和飘
(1.柳州坤菱科技有限公司，广西 柳州545616；
2.柳州五菱新能源汽车有限公司，广西 柳州 545616)
白车身是整个汽车最基础的系统，由框架和板结构组成[1]。振动激励源都作用在白车身上，使车内产生噪声振动，因此白车身对整车噪声-振动-声振粗糙度(NVH)性能至关重要。排气系统通过排气挂钩搭接在车身上，前端与发动机相连，承受着发动机高压高温气体冲击[2]。因此，排气挂钩对于白车身也是1个激励点，若其动刚度低，白车身容易被激励起来，同时通过结构向车内传递噪声。
某乘用车车型在开发阶段试制样车时对白车身动刚度进行测试，测试结果发现其中1个挂钩Z向动刚度未满足目标要求。图1为排气挂钩动刚度测试传感器布置图。
图1 排气挂钩动刚度测试
将测试的数据进行处理分析，得到的加速度响应曲线和等效动刚度如图2所示。由图2可以看出：测试的加速度响应高于目标加速度曲线，且等效动刚度(326 N/mm)未满足设计目标(≥500 N/mm)。排气挂钩动刚度未满足目标要求，存在NVH问题的风险，需要优化。
图2 排气挂钩动刚度测试加速度曲线
2.1 有限元模型建立
基于试验对应的数模进行有限元模型的搭建，白车身2D网格按8 mm×8 mm标准划分；
排气挂钩划分3D六面体网格，网格尺寸为2 mm×2 mm×2 mm。车身钣金之间采用六面体实体单元和柔性单元(ACM)组合模拟点焊连接，螺栓孔及烧焊连接采用线性刚性单元(RBE2)模拟。搭建的挂钩模型如图3所示。
图3 排气挂钩有限元分析模型
2.2 理论分析
采用加速度频率响应函数对动刚度进行分析，分析时主要考察的频率范围为20～400 Hz。加速度频率响应函数又称加速度导纳，它是指在单位力作用下，作用点沿力作用方向的加速度随力作用频率的变化[1]，加速度导纳的计算公式为：
EIPI=α/F
(1)
式中：EIPI为加速度导纳；
a为加速度；
F为激励力。
动刚度的计算公式为：
Ka=F(ω)/X(ω)
(2)
式中：Ka为动刚度；
F(ω)为振力幅函数；
ω为迫振动圆频率；
X(ω)为位移响应函数。
式1和式2结合可以得到加速度导纳的表达式为：
(3)
式中：f为频率。
如果加速度导纳曲线所包含的面积与对应的动刚度的加速度曲线所包含的面积相等，则以计算得到的等效动刚度作为动刚度，具体表达式为：
S等效=SIPI=∑EIPI·Δf
(4)
式中：S等效为等效动刚度的加速度曲线所包含的面积；
SIPI为加速度导纳曲线所包含的面积。
2.3 仿真结果分析
图4为该仿真模型的Z向动刚度分析加速度曲线结果，经计算得到等效动刚度为352 N/mm，未满足设计目标要求(≥500 N/mm)；
当该挂钩受外界激励时，容易产生振动，带来NVH问题，故需要对此挂钩进行优化。从图4可以看出：仿真的加速度曲线与测试的加速度曲线趋势基本一致，表明仿真分析具有一定的可靠性和指导性，可以通过仿真手段寻求优化方案。
图4 排气挂钩仿真模型Z向加速度曲线
3.1 工作变形分析(ODS)诊断
工作变形分析(ODS)为结构在某特定频率下的工作变形。排气挂钩仿真分析Z向加速度曲线如图5所示[3]。由图5可以看出：在频率为388 Hz时加速度响应最大，其动刚度最低，故分析排气挂钩在388 Hz时的工作变形位移云图，如图6所示。
图5 排气挂钩Z向加速度曲线
图6 排气挂钩工作变形云图
从工作变形云图分析，为提高排气挂钩的Z向动刚度，可以通过加强排气挂钩刚度或横梁局部区域刚度的方法进行优化。
3.2 优化方案
仿真分析及试验结果都表明该排气挂钩Z向动刚度未满足设计目标，在实车中很有可能会带来NVH问题。结合工作变形云图分析，提出了3种方案对其结构进行优化。
方案1为延长排气挂钩杆的加强杆，加强排气挂钩的刚度，如图7所示。
图7 排气挂钩优化方案1
方案2为排气挂钩安装板横向加长约25 mm，纵向加长约15 mm，添加5个焊点，提升排气挂钩搭接区域的刚度，如图8所示。
图8 排气挂钩优化方案2
方案3为在排气挂钩安装的横梁板左侧添加类似右侧凹筋条特征，筋条深度约2 mm，通过加强横梁的刚度来提升排气挂钩的刚度，如图9所示。
图9 排气挂钩优化方案3
3.3 优化方案分析结果分析
3种优化方案的动刚度分析结果如图10所示。由图10可以看出：方案2和方案3均满足了设计目标要求，其加速度响应基本都小于500 N/mm的加速度响应，其等效动刚度大于500 N/mm。经过分析，3种方案均对排气挂钩的Z向动刚度性能有所提升。
图10 排气挂钩优化方案仿真结果
结合实际工程需求分析，方案2增加了0.04 kg质量，额外添加5个焊点的工艺；
方案3对大横梁板添加筋条，不增加质量用料。从成本和工艺上的考虑，最终选择实施方案3。
3.4 方案验证
在样车上选择实施方案3，测试的加速度响应结果如图11所示。由图11可以看出：实际方案3的加速度响应在频率为300 Hz以下低于目标值；
方案3的等效动刚度为551 N/mm，满足目标要求。
图11 排气挂钩方案3试验加速度曲线
在白车身加速度导纳动刚度测试中，发现某个排气挂钩Z向动刚度未能满足设计目标要求；
结合测试白车身的3D模型，搭建其白车身有限元模型，对该排气挂钩动刚度进行仿真分析。
通过对所搭建的模型仿真结果及ODS工作位移诊断，提出仿真优化方案，并对优化方案进行仿真分析，结合实际工程及工艺后选择加筋条的优化方案。
对所选择的方案再次进行白车身动刚度试验，结果满足目标要求，验证了仿真中加筋条方案的合理性和有效性。
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