白車身的案例
基于HyperMesh的某商用車白車身模態研究
摘 要：文章利用 HyperMesh 軟件對某商用車白車身建立仿真模型，研究其在自由狀態下的固有頻率及振型，并進行了白車身模態試驗驗證，將試驗數據與仿真分析結果進行對比，有限元分析的頻率與試驗結果頻率除第一階外，其他各階整體主要模態的頻率誤差在 5%以內，說明有限元模型比較準確，計算結果可信，仿真結果能夠很好地反映實際結構的振動特性，此白車身整體模態頻率與二階不平衡激勵頻率相差較遠，引起整車共振可能性較小，預估整車舒適性及車身疲勞壽命滿足要求。通過仿真手段評估結構特性，可節省開發試驗費用，縮短開發周期，為設計提供理論依據。
關鍵詞：商用車；白車身；HyperMesh；模態研究；有限元分析
某商用車白車身為承載式車身，以薄板構成 為主，具有質量輕、整體彎曲和扭轉剛度好的特點，但需承受全部載荷，引起車內振動及異響的可能性較大[1]。因此，設計過程中需要對白車身模態特性進行模擬分析，以優化車身結構的振動特性，避免發生共振和異響，并觀察振動頻率及振型狀態，確定是否進行結構優化以加強車身局部剛度，提升其穩定性和安全性[2]。
1 計算方法
白車身近似為多自由度線性無阻尼振動系統，其振動方程為[3]
式中，M 為白車身質量矩陣；K 為白車身剛度矩陣； X?? 和 X 分別為節點加速度、位移矢量。
由式（1）及微分方程理論推導式（2）：
通過對此方程進行計算，得到結構的固有頻率和振型。
展開 普通乘用車白車身輕量化設計方法
本技術規范針對白車身輕量化設計要求，對普通乘用車白車身的輕量化設計方法進行了規范性的規定和說明，對普通乘用車白車身輕量化設計起引導作用，為不同車型的普通乘用車白車身的輕量化設計提供一種通用的方法，類似車型也可參照執行。
2.要求
2.1 一般要求
2.1.1 基于正碰的白車身結構輕量化設計
按照國家標準GB11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》，進行基于正面碰撞的白車身結構輕量化設計時，只考慮白車身結構的抗撞性評價指標如前端壓潰量、白車身吸能量、防火墻侵入梁和B柱加速度等，不考慮車內假人的傷害指標。
2.1.2 基于側碰的白車身結構輕量化設計
按照國家標準GB20071-2006《乘用車側面碰撞的乘員保護》，進行基于側面碰撞的白車身結構輕量化設計時，只考慮白車身結構的抗撞性評價指標如側面壓潰量、白車身吸能量、B柱加速度等，不考慮車內假人的傷害指標。
2.1.3 基于偏置碰撞的白車身結構輕量化設計
按照國家標準GB/T20913-2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護》，進行基于正面偏置碰撞的白車身結構輕量化設計時，只考慮白車身結構的抗撞性評價指標如前端壓潰量、白車身吸能量、防火墻侵入量和B柱加速度等，不考慮車內假人的傷害指標。
3.設計方法
3.1 白車身有限元建模
3.1.1 網格劃分
輕量化設計時對白車身的網格劃分，主要用四邊形殼單元、三角形殼單元、焊點單元、剛性單元來模擬，單元的平均尺寸不超過5mm。
3.1.2 單元質量控制
白車身有限元網格劃分時單元質量控制標準如表5-1所示。
根據白車身各零件材料特性參數，輸入單元的材料屬性，包括密度、泊松比、彈性模量、剪切模量、材料的本構關系。
展開 基于Hyperworks白車身扭轉剛度仿真分析 ￥15
白車身剛度是整車性能開發的一個重要指標，它決定了車輛在外力作用下抵抗變形破壞的能力。白車身剛度與整車許多性能指標均有關聯，如耐久性能、碰撞安全性能、操穩性能和NVH性能等。而白車身彎曲剛度和扭轉剛度是反映白車身剛度的兩項重要性能指標。當前的主流輕量化設計趨勢就是在控制成本和重量的前提下，盡可能提升白車身的彎扭剛度值。其中，白車身扭轉剛度還是白車身輕量化程度的重要表征。國際上流行的一個重要的車身設計指標—輕量化系數，就是根據白車身扭轉剛度、白車身質量、軸距和輪距計算得到的。
圖1 白車身扭轉剛度分析結果
輕量化系數公式：
圖2 輕量化參數的示意圖
圖3 扭轉剛度分析結果（z向位移圖）
利用OptiStruct求解器計算BIW的扭轉剛度，采用的加載工況和約束條件，及根據仿真分析的結果計算得到該白車身扭轉剛度值，白車身輕量化系數，詳情見收費內容部分。
該白車身的扭轉剛度為8377.033N?m/deg，白車身輕量化系數為1.192。
凡購買本案例的朋友在操作上有什么疑問，都可以私信我，針對本案例中的操作問題我將免費為你解答。還是那句話，我們不玩虛的，玩虛的沒意思！
展開 六座跑車的白車身設計：利用HyperWorks最大化車身剛度并滿足強度要求
選擇相應的白車身結構設計概念是為了探索工業折紙技術，這使更輕材料折疊成復雜車身結構件形狀。成型是在裝配位置使用簡單廉價夾具完成的。開發白車身部件的幾何、拓撲等功能需要設計專業的學生與結構專業的學生之間廣泛的合作，也需要仔細平衡白車身剛度、包裝空間、成本和重量設計要求。
解決方案
首先，利用折疊金屬成形技術（FMT），從多次試驗和實驗中獲得一個鋁合金白車身設計。再造出一個卡板模型來證明折疊金屬技術的可行性。這個可行性評估很重要，特別在高負載結構區域（支柱塔和車身前部安裝點）。利用紙板模型的分析結果，折疊金屬技術被利用到了前擠壓結構、乘客地板區和后擠壓結構。上身結構是鋁管狀構造，包括車頂和車身支柱。
從卡板模型制作中得出經驗之后，用SolidWorks建立了白車身的CAD模型并導入HyperMesh中。所有的FMT結構件和空間管狀框架結構都是用2D面網格建立的。較厚的白車身部件以及關鍵設計區域——前副車架安裝到車身的位置，這些是用3D六面體網格劃分的。
卡板模型與前座配置卡板避震塔模型 避震塔有限元模型
使用Altair OptiStruct有限元求解器完成了一系列深入的有限元分析，包括扭轉和彎曲剛度分析、固有頻率分析、動態壺洞以及加速凹凸載荷分析。 后續使用Altair HyperView后處理模塊查看有限元分析結果，結果顯示白車身設計符合項目對車身的剛度要求。對于前副車架的有限元分析，施加了動態加速度載荷以及制動和轉彎工況模擬，結果顯示應力不超過許用值。
上圖: 完整的白車身CAD 模型 下圖: 有限元結果，扭轉剛度 白車身結構
結論
經過HyperWorks仿真分析，結果表明白車身底盤滿足強度和剛度要求，在咨詢了項目的主要供應商之后，隊員們在該車上運用了所有這些結構。
展開 
白車身剛度（2.1.1 Body Stiffness）
、選擇約束和加載，進行白車身剛度分析；
2、針對白車身扭轉與彎曲剛度，進行料厚靈敏度分析；
3、輸入白車身剛度目標值，進行料厚與材料的白車身減重優化；
4、根據減重優化結果，更新白車身模型；
操作示例：
1、基于白車身剛度工況，進行料厚與材料的白車身減重優化；
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基于HyperWorks焊點等效方法在白車身分析中研究
圖2 焊點等效模型
表2 焊點等效的結果比較
4 等效ACM焊點對白車身模態及剛度的影響研究
本研究是基于上述的研究結果，在HyperMesh中建立某車型的白車身網格模型，采 用5mm×5mm的網格，利用等效的ACM焊點進行建模，某轎車的白車身有直徑為4mm及6mm兩種焊點，等效后的4mm及6mm焊點直徑為20mm及30mm，保持焊點的拉伸剛度不變，彈性模型由210000GPa變為8400GPa，如圖3所示，對該轎車的白車身有限元模型進行包括模態、扭轉剛度及彎曲剛度分析。
圖3 白車身模型
4.1 白車身模態分析
汽車行駛在不同的路面上，會受到外界的沖擊作用，當外界的激勵頻率接近或達到白車身局部或整體的固有頻率時，會使車身件發生共振，產生噪音，影響其舒適性，嚴重時會引起車身件的振動疲勞破壞。因此，有必要對白車身進行模態響應分析，特別是一階整體扭轉模態，進而根據標準要求或經驗對模態進行評價，避免共振的發生。
一階扭轉模態是白車身關注的重要模態，企業標準要求一階扭轉模態大于43Hz。為了提高計算效率，將模態頻率設定在0-50Hz范圍內，利用Nastran線性分析軟件進行該白車身的有限元模態分析，經計算得到的一階扭轉模態為44.09Hz，結果如下圖4所示。
實驗采用多點激振、多點響應的方法提取白車身的模態。用軟繩在前懸架支承區域和后保險杠防撞梁區域將車身懸吊起來。在白車身區域選取激勵點，同時對x、y、z三個方向分別進行激勵，并測試出激勵點處x、y和z向的加速度響應，計算傳遞函數，對傳遞函數求平均，進行模態定階。實驗測得一階扭轉模態值為43.6Hz，振型如圖4所示。
一階扭轉模態的仿真值為44.09Hz，實驗值為43.6Hz，誤差不超過2％，對標性較好。
展開 輕量化白車身及多材料連接技術的發展
隨著國外輕量化白車身的發展，白車身的用材由鋼板應用階段逐步發展到多材料混合應用階段。本文以奧迪品牌的白車身發展進程為例，歸納了其白車身用材演化的四個階段，分析了典型歐系、美系和日系車型白車身用材發展現狀及用材趨勢。
伴隨著輕量化白車身的發展，其相應的多材料連接技術也隨之發展迅速。針對四個白車身發展階段，列舉了目前9種常用的多材料連接技術，也對應規劃為4個不同階段，分析了每個階段進程的多材料連接技術的適用范圍與優劣勢。
1 國外輕量化車身發展過程
縱觀國外白車身的發展趨勢，奧迪公司的白車身發展趨勢極具代表性，到目前為止，其白車身的發展過程可分為四個階段：
第一階段：鋁合金覆蓋件開發階段
這個階段主要是為了增加材料強度級別，熱成形鋼逐步用于車身，還有少量鋁合金覆蓋件的應用。典型的車型代表為奧迪A3車型（見圖1）。
零部件用材方面，機蓋、翼子板使用鋁合金材質（3.2%），后座椅橫梁、中通道、A柱、B柱、機艙縱梁后段、前圍下板、后地板橫梁和后地板縱梁等位置采用熱成形鋼（21.7%）。
第二階段：鋁合金外覆蓋件成熟應用階段
這一階段，外覆蓋件大量采用鋁合金，鋁合金覆蓋件比重顯著增加，熱成形鋼比重相對減少，典型的車型代表是奧迪A6車型（見圖2）。
零部件用材方面，機蓋、前后車門、翼子板、行李箱蓋板、頂蓋和前后防撞梁（鋁型材）應用鋁合金。鋁合金用量較第一階段增加至18%，中通道、座椅橫梁、A柱和B柱等位置保留熱成形鋼，熱成形鋼的用量比例減少至11.3%。
展開 基于靈敏度分析的白車身尺寸優化
1案例背景：
白車身剛度一般用靜態剛度和動態剛度來表示，靜態剛度主要有車身彎曲剛度和扭轉剛度兩個方面，動態剛度主要體現在車身模態頻率和振型上。由圖1不難看出，白車身對于整車彎扭剛度的貢獻率均高于60%，所以白車身剛度是滿足車身結構力學要求的基礎，合理的靜態剛度是保證車身裝配準確、使用正常和疲勞壽命的前提。白車身剛度影響著汽車操縱穩定性、舒適性、行駛平順性以及NVH等各項性能。 同時汽車輕量化也是近些年來汽車人一直在追求的目標。因此在保證白車身性能滿足各項指標要求時，盡可能降低車身質量，既能節省材料成本，也能降低汽車行駛中的油耗。所以本案例以某汽車白車身為例，基于靈敏度分析，以彎扭剛度性能為約束，以質量最小為目標，對其進行鈑金結構的尺寸優化。
圖1 汽車部件剛度貢獻率
2.彎扭剛度以及模態分析過程
由于汽車白車身包含很多細節結構，一些細節或者細小零件對于車身整體性能影響不大，但是會增加仿真的復雜程度，因此根據簡化要求，對某車型白車身進行簡化處理，如圖2所示。并按照一般企業流程，對幾何模型進行有限元前處理，規范如圖3所示，有限元模型如圖4所示。
展開 六座跑車的白車身設計：利用HyperWorks最大化車身剛度并滿足強度要求
選擇相應的白車身結構設計概念是為了探索工業折紙技術，這使更輕材料折疊成復雜車身結構件形狀。成型是在裝配位置使用簡單廉價夾具完成的。開發白車身部件的幾何、拓撲等功能需要設計專業的學生與結構專業的學生之間廣泛的合作，也需要仔細平衡白車身剛度、包裝空間、成本和重量設計要求。
“Altair給我們巨大的支持，教我們的研究生怎么利用HyperWorks軟件開發白車身。通過 HyperWorks，我們在用折疊金屬折紙技術創建輕巧結構設計的過程中開發出最好的拓撲結構。”
Dr.
展開 MeshWorks創建白車身概念模型如此簡單！
車身前期概念設計階段的目標是從總體上把握車身的結構形式和各項性能指標，忽略車身細節。在概念設計階段所產生的設計缺陷無法在今后的設計過程中進行修補，因此在概念設計階段快速建立白車身概念模型非常重要。在白車身第一版CAD數據發布之前，快速建立白車身概念模型并快速進行性能評估和方案迭代已經成為車型開發流程中必不可少的手段，可以大大縮短車型開發時間。
在過去，利用一些專門的CAD概念建模工具，通常建立完整白車身概念全參數化模型需要1-3個月時間才能完成，并且軟件學習難度極高，導致無法普及并廣泛應用。
MeshWorks的ConceptWorks模塊是專門針對快速創建全參數化白車身及梁、接頭所開發的。在最新的V2022版本中，增加了非常簡單易學的通過截面信息快速創建白車身梁結構的功能，普通工程師1個小時內即可完全掌握！
本文介紹的“截面梁”功能尤其適用于當只有點云數據時，不需要依賴于CAD，可以在抄數數據上截取截面，作為輸入快速的創建梁，不需要借助其其他工具，由抄數數據到合格的梁網格全部在MeshWorks中完成。
演示如下：
只需白車身的截面信息：
創建的白車身結構如下：
生成的梁局部細節如下：
步驟視頻如下，如此簡單！
整個白車身創建過程在幾天內完成，創建后可以方便的應用MeshWorks的參數化功能對整個結構進行參數化調整，也可以用MW強大的網格變形功能做方案迭代。
展開 【SIMU圖文教程】_06_白車身模態和剛度提升方法
六、料厚優化
通過優化白車身板件厚度來提高白車身模態和剛度性能的方法。建議料厚優化放在結構優化之后進行，因為通過結構優化可以得到較好的車身結構，在這個模型上進性料厚優化更有意義。料厚優化不僅可提高白車身的模態和剛度，還可以通過控制質量的方式進行減重。即實現材料厚度的最優化。
七、白車身模態優化和剛度優化的區別
1、模態優化
結構的模態既有剛度的貢獻也有質量的貢獻，因此在優化模態時即可優化剛度也可優化質量。對于白車身的彎曲和扭轉模態，往往也有局部模態參與其中。這時，優化局部結構對整體模態的提高有一定幫助。如，彎曲模態中有備胎盒的局部模態，這時優化備胎盒結構后彎曲模態會提高一些，但整車的彎曲或扭轉剛度卻基本沒變。白車身模態的優化即可以從整體框架結果上進行優化，也可以從局部結構上進行優化，建議根據具體情況決定。
2、剛度優化
白車身剛度主要和結構、焊點、料厚相關。彎曲和扭轉剛度的優化工作主要集中在車身整體框架結構的優化上。和模態的優化不同，框架結構外的局部優化對剛度提高意義不大。如提高前端模塊的剛度后彎曲模態提高，但彎曲剛度卻基本沒變化。
末：
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展開 
白車身結構強度分析報告
1858.4，-3.7，497.8 1810
圖3.2 Q11白車身附加質量分布
4 邊界條件
以滿載狀態下計算車身在以下工況下的強度應力。
探秘蔚來ES8全鋁車身生產線，白車身用7種連接技術
基于整車輕量化與結構簡單化的考慮，蔚來ES8車型采用了全鋁車身結構，96.4%的鋁材使用率使該車成為全球量產車中全鋁車身鋁材含量最高的車型，包括車身最關鍵的傳力路徑和承載部位均使用高性能鋁材。
從制造角度而言，ES8的全鋁車身設計無疑是巨大的挑戰，不僅生產線及原材料投入成本增大，更需要嚴苛的生產工藝。
蔚來ES8全鋁車身車間
在實際探訪過程中，走進蔚來全鋁車身車間后，最直觀的感覺是安靜。傳統鋼結構的白車身主要采用焊接工藝，焊接機器人工作時伴隨著火花閃電，夾雜了輕霧與焦糊味。全鋁車身則采用鉚接技術，車身連接處不會產生熱變形，無飛濺產生，沒有高溫，且鉚接機器人工作時的噪音也要明顯小于焊接機器人，因此車間內噪音很小。
蔚來合肥工廠的全鋁車身車間為ES8白車身提供7種連接技術：熱融自攻鉚接（FDS）自沖鉚接（SPR）鋁點焊（RSW）冷金屬過渡弧焊（CMT）結構膠（Adhesive）激光焊接（Laser）高強度抽芯拉（Monobolt）
ES8白車身應用7種連接技術
這7種連接技術為蔚來ES8的白車身提供了質量保障。例如，使用比例較大的自沖鉚接技術是一項航天工藝，通過電機提供的動力將鉚釘直接壓入待鉚接板材，當鉚接板材在鉚釘的壓力下和鉚釘發生塑性形變并成型后，充盈于鉚模之中。值得注意的是，自沖鉚接技術擁有更高的抗疲勞強度、扭轉剛度、抗腐蝕性、靜態緊固力等，能夠大幅增加車身強度。
要保證ES8全鋁車身的質量，生產線設備的投入至關重要。據悉，蔚來合肥工廠全鋁車身車間的設備集成供應商包括ABB、巨一、天津福臻等，生產線總共配置了261臺全鋁車身線ABB機器人。
展開 基于Hyperworks+lsdyna白車身自由模態分析 ￥15
白車自由模態分析，即模型不加任何形式的約束下的模態分析。白車身自由模態分析的分析對象就是白車身，又簡稱為BIW, 指焊接車身的本體部分，包括通過螺栓連接的碰撞吸能結構，不包括通過螺栓連接或粘接在車身本體上的玻璃、車門、發動機罩板、天窗、行李箱蓋以及翼子板、儀表板支撐橫梁等。分析的頻率范圍通常設定為1-100Hz；下限設為1Hz，其目的是避免計算前6階的剛體模態。本案例主要介紹如何使用Hyperworks+lsdyna進行白車身自由模態分析，考慮到節約計算時間,僅提取前10階模態。
前處理：Hyperworks/lsdyna 后處理：Hyperview
白車身一階扭轉及一階彎曲模態識別（見收費內容）：
整體一階扭轉陣型圖
整體一階彎曲陣型圖
本案例僅提供模型文件結果文件及相關指導，凡購買的朋友針對本案例仿真實現上有什么疑問可以私信，同時可參考CAE追夢者前期發的帖子《基于Hyperworks白車身自由模態分析及模態陣型線性疊加》中采用optistruct軟件進行白車身自由模態分析的結果，進而對比lsdyna與optistruct在計算模態分析中的差異。
展開 白車身試驗模態總結報告
圖 3?6白車身模態試驗MAC矩陣各響應點的數值示意圖
3.9 其它注意事項
（1）導線兩端都需要編號。
（2）試驗過程中嚴禁觸碰車身或踩踏試驗導線。
（3）移動和粘貼傳感器的動作力度要小，以免引起車身運動過大導致力傳感器與結構脫開。
4. 總結
由于白車身結構的復雜性，模態比較豐富、密集。這就要求在進行模態試驗數據采集時，要特別注意支承方式、激勵方式、激勵點的選擇，以及測點的布置等影響模態分析結果的因素；保證采集的數據真實反映白車身的特性。運用各種參數識別方法提取模態參數，并且通過相互校核，保證獲取的參數能準確反映白車身的動態特性。結合研究目的，為進一步的分析和修改奠定基礎。
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