一、引子

前幾天在模態空間微信群里面看到群主譚祥軍在幫人發汽車CAE人員招聘信息，要求掌握整車高速擺振分析和啟停/急加油/急減油整車振動仿真分析（實際上是某個項目要求的人員資歷，譚祥軍注），不由得感慨萬千。

這兩個分析，在我看來是難度極大，且沒有成熟的解決方案，沒想到都變成招聘時的基本要求。最近兩年，我們的自主汽車品牌剛剛開始走高端路線，但我們的CAE分析已經提前高端化了。

汽車行業的CAE工程師，如果不搞點整車路噪風噪仿真，不搞點整車瞬態疲勞分析，不搞點多重高度非線性分析，基本上都不敢出去見人了。

看到大家都在如火如荼的研究這些高大上的分析項，我反而產生了一個疑問：那些最基本的分析項，我們真的掌握了嗎？

二、車身模態分析我們真的會做嗎

對于最簡單的TB車身模態分析，大家都知道一彎和一扭模態頻率要避開內燃機怠速二階激勵。但是對于純電動車，驅動電機根本不存在怠速情況，那么TB模態應該如何規劃？行業內一直沒有一個明確的結論。

在我看來，電機雖然沒有怠速工況，但是大部分電動汽車仍然設計了低速蠕行工況。電機的低階機械激勵應該是以一階激勵為主（轉子偏心或者電機軸和減速器軸不對中都產生一階激勵）；此外還可能存在少量二階激勵（電機軸和減速器軸在花鍵連接處如果有夾角就會產生二階扭矩波動激勵，類似十字軸萬向節的效果）。所以我認為TB車身的一彎和一扭模態頻率應該高于蠕行時電機的一階和二階諧頻，最好保持3Hz以上的分離。

 那電動汽車的TB模態頻率是不是應該高呢？我個人認為做高TB模態頻率并無必要。我曾經分析過某款電動車的車身，感覺這個車身模態頻率是刻意控制在一個不太高的水平的，大概是控制到低于25km/h車速行駛時的電機一階諧頻。

所以我的看法是，對于電動車TB車身的模態規劃，應該向上避開蠕行時電機二階諧頻，應該向下避開25km/h車速時的電機一階諧頻，也就是把發生共振的可能放到蠕行車速和25km/h之間，這是一個不太常用的車速區間。這里的25km/h只是打個比方，具體數值還需要再研究。

以上只是我個人的一點猜想，不一定正確，歡迎大家一起探討。

三、白車身剛度分析我們真的會嗎

白車身剛度分析也是最基本的分析項之一，但這項分析目前仍未形成統一的方法。

比如彎曲剛度分析的載荷和約束。載荷有加到門檻梁的，有加在座椅安裝點的，也有均勻分布在地板上的。位移約束有加在減震器接附點的，有加在彈簧接附點的，也有加在縱梁上的。圖1展示了其中一種方案?？傊桨肝寤ò碎T，但各自的優缺點尚未有人仔細研究比較過。

圖1 白車身彎曲剛度分析的載荷和約束

彎曲剛度的位移考察點選擇，有選加載點位置的，有選門檻梁底部最大垂向位移點的，也有選門檻梁外蒙皮上某點的。這些方案看上去都有一定道理，但說不好那種更合理。

白車身剛度分析所用的模型也非?；靵y，有的只分析白車身，有的分析白車身+風擋玻璃，有的分析白車身+動力電池包，還有的分析白車身+玻璃+動力電池包，甚至還有的分析白車身+玻璃+動力電池包殼體但不包含電池芯。

在我看來，應該將白車身+玻璃+動力電池包的剛度作為整車指標進行把控；此外還應該將單獨白車身的剛度作為白車身系統指標，用于控制車身鈑金件的設計。而且我堅持認為玻璃和電池包的剛度貢獻不宜太大，所以或許還應增加一個控制指標，即單獨白車身剛度與白車身+玻璃+電池包剛度的比值。

另外如果模型中包含前后風擋玻璃，那么玻璃粘膠的彈性模量對剛度結果將有明顯影響。但在車型開發前期我們不一定能拿到粘膠彈性模量試驗值，即使有試驗值，數據的分散度也很大。這個問題如何解決也需要研究。

四、靜強度分析我們真的會做嗎

靜強度分析大家都覺得是簡單的不能再簡單了，似乎毫無技術含量。比如一個鑄造件，拿四面體單元劃分一下網格，加上載荷和約束，用Nastran的Sol 101求解器分析一下，最后拿Hyperview看一下von Mises應力，好像就完成分析任務了。但實際上，靜強度分析過程中，還有很多關鍵問題值得推敲。

首先一個問題是網格尺寸如何設置。四面體單元的精度是非常低的，尤其是一階四面體單元。對于一些薄壁鑄造件，要達到勉強可接受的應力精度，厚度方向需要采用十層以上的一階四面體單元，即使采用二階四面體單元，厚度方向也要保證至少五層單元。

我們實際使用四面體單元建模時，網格細化程度離上述要求差距甚遠。表1是我給某家醫療器械企業做強度分析時做的網格尺寸收斂性測試，用的二階四面體單元。從表中數據可以看到，網格從2mm細化到0.5mm，應力計算結果才真正收斂?？上У氖?，我們汽車行業很少做網格收斂性測試，網格尺寸的設定都很隨意，且普遍過于粗糙。

第二個問題是應該用何種等效應力評價。對于塑性材料，用von Mises評價是公認的比較合理的做法，但von Mises應力有一個缺點是不能區分拉壓狀態，而實際上大部分材料的抗拉能力遠低于抗壓能力，所以可能采用Signed von Mises應力來評價更為合適。

對于脆性材料，按第一強度理論，采用最大主應力來評價似乎比較合適，但這種評價方式只適用于材料受拉的情況。而且究竟何種材料算是脆性材料也不太好界定，比如球墨鑄鐵中的QT400-15、QT450-10、QT500-7，鑄鋼中的ZG270-500、ZG310-570，斷后延伸率都大于5%，所以都不能算脆性材料。

還有一個問題是應力梯度的影響如何考慮。我們通常都是拿von Mises應力的最大值來計算安全系數，進而判斷強度是否合格。但其實決定結構強度的不僅僅是峰值應力，應力的分布情況也是重要因素。比如我們有兩個相同材質的結構，材料屈服強度為400MPa，von Mises應力的最大值都是200MPa， 但第一個是峰值應力點周邊很大范圍內的應力都在150MPa以上，第二個是峰值應力點周邊的應力水平迅速下降，150MPa以上的區域非常小。

根據峰值應力計算的兩個結構的安全系數都是2.0，不過很顯然，第一個試件發生破壞的風險遠大于第二個。所以，安全系數根據應力梯度進行修正才合理，但如何正確引入應力梯度修正尚需深入研究。疲勞分析軟件Femfat有一個Break模塊，在計算靜強度安全系數時考慮了應力梯度因素，但它的方法是模仿疲勞分析中的應力梯度修正，理論上并不完善。

五、結語

近幾年來，我們的軟硬件條件還有人員隊伍都在迅速改善，我們追尋著各種高端分析能力，我們研究著各種復雜高深和大規模的分析項，似乎我們的仿真能力在突飛猛進。

但是回頭一看，其實對于最基本最常用的分析項，例如模態分析、剛度分析還有靜強度分析等等，我們至今也沒有完全掌握。無論是工況設定、指標設定、網格尺寸還是結果評價方法，都有很多關鍵技術點需進一步研究。在建設高端分析能力的同時，或許我們更應該花點精力去把基礎分析能力補齊。

作者簡介

王朋波，清華大學力學博士，汽車結構CAE分析專家。重慶市科協成員、《計算機輔助工程》期刊審稿人、交通運輸部項目評審專家。專業領域為整車疲勞耐久/NVH/碰撞安全性能開發與仿真計算，車體結構優化與輕量化，CAE分析流程自動化等。

來源：模態空間公眾號