轻卡车身模态分析及其结构优化

本文阐述了车身的模态分析、车身轻量化、DOE分析方法以及拓扑优化方法的应用和研究的最新进展。建立了轻卡车身结构的有限元模型,运用有限元方法对轻卡车身进行模态和刚度计算,以解决轻卡车身存在的振动、刚度问题和车身的轻量化为目标,首次在车身板厚参数的优化过程中引入DOE分析方法,采用DOE分析和拓扑优化相结合的方式对车身进行结构优化。最终得到了可行的车身优化方案。本文所做的主要工作有以下几个方面: (1)建立轻卡车身的有限元模型。以轻卡车身的结构为基础建立了车身的计算模型,提出了建立车身模型的要求和原则,分析了建模过程中要注意的问题:包括CAD建模中结构的简化,CAE建模中几何模型的整理、单元的选取、焊点的处理,并对模型质量的评价指标进行分析。为同类车型的建模工作提供了依据。 (2)车身的模态和刚度分析。运用有限元方法计算轻卡车身的自然模态和刚度情况。通过模态分析发现车身的第一阶模态频率和汽车怠速工况下发动机的激振频率很接近容易产生车身共振;通过刚度分析发现车身在扭转工况下刚度不足,车窗窗框变形较大。通过分析找出了导致该型轻卡在怠速工况时车身共振和扭曲道路试验时前风窗开裂的原因,为车身的优化工作提供了目标和方向。 (3)车身板厚的DOE分析及改进设计。根据车身模态和刚度分析的结果,把车身的板厚作为优化参数,以提高车身的第一阶模态频率和减轻车身重量为优化目标,首次引入DOE分析方法找出车身主要覆盖件的最佳板厚组合并提出改进方案,通过对改进方案的分析计算轻卡车身的模态频率提高了16%,质量减轻了8Kɡ,验证了DOE分析方法的可行性。 (4)车身结构的拓扑优化。通过DOE分析方法对板厚参数进行优化后,又建立了车身的拓扑优化模型对车身的结构进行形状优化,根据优化得到的拓扑形状提出了在顶盖和后围覆盖件冲压“X”型加强筋的方案。通过上述工作成功地解决了轻卡车身存在的振动和刚度问题,相信随着车身改进设计研究的不断深入,试验和计算机研究手段的发展,DOE分析与拓扑优化相结合的方法在车身结构优化的研究中将发挥更大的作用。