客车车身结构动力学、声学CAE关键技术研究

论文题目: 客车车身结构动力学、声学CAE关键技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械制造及其自动化

作者: 杨莉

导师: 孙庆鸿

关键词: 车身,模态试验,模型修正,优化设计,声结构耦合,表面阻尼处理,声辐射

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在江苏省十五科技攻关项目和国家自然科学基金项目支持下,本文以依维柯A40新客车开发为结合对象,系统地研究了整车车身结构有限元建模、基于模态试验的动力学模型修正、车身结构动静态分析及优化、车身结构与车内声场的声固耦合分析、车身蒙皮结构的表面阻尼处理有限元建模及声辐射预测等客车车身结构设计动力学、声学CAE关键技术,论文的主要内容和创新点包括:1.基于对车身结构点焊、缝焊、铆接等联接方式的研究,建立了一个能够准确模拟车身结构动力学性能、计算规模控制在计算机可接受范围、并兼顾建模效率的以壳单元为主的依维柯A40新客车白车身详细有限元模型,该模型包含有10万多单元、60多万自由度和885组实常数。通过对车身典型点焊结构和零部件的模态试验,修正模型结合面特性参数,提高了整车建模的准确性。2.设计并成功进行了依维柯A40新客车白车身模态试验,获得了其动力学特性。基于线性广义特征值问题的矩阵摄动重分析,指出了对结构摄动修改的最灵敏位置。以试验结果为依据修正了白车身有限元模型,修正后模型前3阶固有频率的理论计算与试验值之间误差平均值小于3%,振型精确相符,保证了所建有限元模型与车身实际结构动力学特性相符。3.由试验研究和有限元分析结果,指出了车身初始设计时存在的问题,提出了相应的改进措施,并进行了结构改进后的白车身模态试验,结果表明白车身前几阶固有频率均得到明显地提高,即改善了其动力学性能。4.在白车身模型上附加乘员、座椅、行李、油箱、空调、玻璃、发动机等载荷后,模拟仿真了客车在静态弯曲及弯扭组合工况下的响应,获得了相应的应力和变形;完成了客车在通过正弦波形路面时的车身时域瞬态响应模拟分析,获得了车身上任一点任一时刻应力和变形的时间历程。对车身局部应力集中区,进行了动态应力测试试验,测量结果与有限元分析结果基本吻合,为进一步改进车身结构、克服薄弱环节提供了理论依据。5.提出了动、静态灵敏度分析的子结构法,根据灵敏度分析结果找出对目标函数影响较大的参数作为优化设计变量,利用ANSYS的优化功能,通过APDL参数化设计实现了10万多单元和近60多万个自由度、885组实常数、309个设计变量的白车身动、静态优化设计,提高了分析效率,节约约50%的计算时间,为大型结构动、静态灵敏度分析及优化找到了一种高效并切实可行的分析方法。6.建立了较详细的轻型客车车内声空腔及车身结构声场耦合的有限元模型,进行了模态和谐响应分析,描绘出了依维柯A40新客车车内空腔的声学特性;掌握了其车身结构声场耦合情况;对车辆静止时发动机激励下车内低频噪声进行了预测,预测结果与实际测量结果能较好地吻合,说明所建模型是正确的,分析思路是可行的。为实现轻型客车车内低频噪声的有效预测进行了有益的探索。根据车内噪声测量及分析结果,提出了减振降噪措施,有效降低了车内噪声,使此车型车内噪声水平在国内同档次车型上处于领先水平。7.提出了车身蒙皮结构的表面阻尼处理减振降噪方案,采用整体划分单元法建立了自由阻尼和约束阻尼处理薄壳和壳梁组合结构的有限元模型,导出了单元的刚度和质量矩阵,并用变形能法估计出结构敷设了阻尼层之后的模态损耗因子。提出了表面阻尼处理板壳结构声辐射分析的微元算法。算例表明,用此方法分析表面阻尼处理结构的声辐射是可行的,为表面阻尼处理板壳结构的声辐射预测问题提供了有效的解决方法。基于声结构耦合理论,对轻型客车内蒙皮局部表面阻尼处理前后的腔内噪声对比分析,量化表面阻尼处理的减振降噪效果,为车身蒙皮表面阻尼处理结构设计提供理论支持。论文的研究工作,有力地支持了依维柯A40新客车车身的开发,并于2005年2月通过江苏省科技厅鉴定,成果达国际先进水平。该车定型后现已批量投放市场,深受用户欢迎。本文研究结果对其他客车车身开发也有普遍意义。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景与课题来源

1.2 国内外研究概况

1.2.1 车身设计CAE 技术研究概况

1.2.2 车身有限元模型修正技术

1.2.3 试验模态分析概况

1.2.4 车内噪声研究概况

1.2.5 阻尼减振降噪技术在客车车身设计中的应用

1.3 论文的主要研究内容及各章节结构安排

1.3.1 论文的主要研究内容

1.3.2 论文各章节的内容安排

第二章 车身结构有限元建模技术研究

2.1 前言

2.2 车身结构有限元建模概述

2.2.1 选取单元的种类

2.2.2 单元的尺寸

2.2.3 单元的形状质量

2.2.4 CAD 模型的简化

2.2.5 联接方式的模拟

2.3 依维柯A40 新客车车身三维CAD 模型

2.4 依维柯A40 新客车车身CAE 模型的建立

2.4.1 建模中的关键技术问题

2.4.2 依维柯A40 新客车白车身有限元建模

2.5 小结

第三章 依维柯A40 新客车白车身模态试验与有限元模型的修正

3.1 前言

3.2 多自由度系统试验模态分析理论基础

3.3 依维柯A40 新客车白车身模态试验

3.3.1 试验方法

3.3.2 试验模态分析结果

3.4 模态试验结果与有限元分析结果比较及误差分析

3.4.1 白车身理论模态分析

3.4.2 模态试验结果与理论分析结果的误差分析

3.5 基于模态试验的白车身动力学模型修正

3.5.1 结构固有振动特性设计的最优动力学修改原理

3.5.2 依维柯A40 新客车白车身有限元模型的修正

3.6 小结

第4章 车身结构改进、强度分析及动态应力试验

4.1 前言

4.2 基于白车身结构模态分析的结构改进

4.3 车身与车架连接方式及其整车动力学模型的建立

4.4 车身结构在不同工况下的强度分析

4.4.1 静弯工况

4.4.2 弯扭联合工况

4.4.3 汽车双轮同时过障的瞬态响应

4.4.4 车身强度评价

4.5 新客车在道路试验下的动态应力特性

4.5.1 试验目的及试验条件

4.5.2 应变片布置及准备

4.5.3 动态应力试验及结果

4.6 小结

第5章 依维柯A40 新客车车身结构动静态灵敏度分析及优化设计

5.1 前言

5.2 灵敏度分析概念及实施

5.2.1 灵敏度的概念

5.2.2 灵敏度分析方法的实施

5.3 优化的数学模型及优化算法的选取

5.3.1 优化设计概述及数学模型

5.3.2 优化方法原理

5.4 基于子结构法的客车车身动、静态灵敏度分析及优化设计

5.4.1 依维柯A40 新客车车身动、静态优化设计变量的选择

5.4.2 依维柯A40 新客车车身动态特性灵敏度分析及优化设计

5.4.3 依维柯A40 新客车车身静应力灵敏度分析及优化设计

5.5 小结

第6章 客车内腔室声学特性研究

6.1 前言

6.2 汽车车内噪声的组成及分析方法

6.3 汽车车内声场的有限元分析理论基础

6.3.1 声压波动方程及其声结构耦合控制方程

6.3.2 声流体矩阵的推导

6.3.3 声流体边界上有吸声作用的有限元动力方程

6.3.4 声—结构耦合有限元方程

6.4 依维柯A40 新客车车内声空腔有限元模型及其声学特性分析

6.4.1 依维柯A40 新客车声空腔有限元模型的建立

6.4.2 依维柯A40 新客车声空腔模态分析

6.4.3 依维柯A40 新客车声空腔谐响应分析

6.5 依维柯A40 新客车声－结构耦合模型及谐响应分析

6.5.1 依维柯A40 新客车声－结构耦合有限元模型

6.5.2 依维柯A40 新客车声—结构耦合谐响应分析

6.6 发动机激励下车内噪声预测与实际测量结果比较

6.7 改进车体振动及降噪措施

6.8 小结

第7章 车身结构的表面阻尼处理技术与结构声—振耦合研究

7.1 前言

7.2 阻尼减振降噪机理及表面阻尼处理技术

7.2.1 阻尼减振降噪机理

7.2.2 阻尼材料损耗因子

7.2.3 表面阻尼处理技术

7.3 表面阻尼处理结构的有限元建模

7.3.1 表面阻尼处理结构建模方法

7.3.2 表面阻尼处理结构的有限元分析模型

7.3.3 表面阻尼处理结构的有限元振动特性分析算例

7.3.4 模态结构损耗因子及阻尼比

7.4 表面阻尼处理结构声辐射分析的有限元方法

7.4.1 结构振动声辐射声压

7.4.2 结构振动声辐射声功率

7.4.3 结构振动声辐射效率

7.4.4 结构振动声辐射分析算例

7.5 基于声固耦合理论的汽车蒙皮结构的表面阻尼处理减振降噪研究

7.5.1 弹性结构封闭空间声场分析

7.5.2 车身蒙皮表面阻尼处理减振降噪应用研究

7.6 小结

第八章 总结与展望

8.1 论文的主要贡献

8.2 进一步的研究工作

致谢

参考文献

攻读博士期间发表论文

攻读博士学位期间参与项目

攻读博士学位期间获奖情况

发布时间: 2007-06-11

参考文献

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