某新能源汽车后车门模态性能与刚度性能分析

陈宇楠，游道亮

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330200）

引言

汽车门是汽车结构中比较重要同时又相对独立的系统，车门的模态性能对车辆的振动特性影响较大，当其频率与车辆的工作频率重合时，产生噪音和振动，直接影响车辆的舒适性。车门的刚度性能对车辆的密封性影响较大，当其刚度性能偏弱时，车门的变形会偏大，直接影响车门与车身的密封性，因此车门的模态性能和刚度性能对汽车的可靠性具有重大影响。康满等[1]基于有限元方法对某车门进行刚度和模态性能分析，同时基于灵敏度分析方法对其厚度值进行优化设计，达到了减重5.87%的目标。彭美青[2]等采用有限元软件对某车门的窗框刚度进行了仿真分析，针对其薄弱处进行优化，最后通过了实车验证。秦训彭等[3]采用响应面方法对某车门的厚度进行优化设计，最终实现了结构的轻量化。为了研究某新能源汽车后车门的模态特性和刚度特性，首先采用计算机辅助工程（CAE）技术对后车门进行模态仿真分析，然后进行模态测试，再对进行其进行扭转刚度分析。

1 后车门有限元模型

某新能源汽车后车门主要包括车门的外板、车门的内板、外板加强板和防撞管梁，车门的材料均为钢材，其材料牌号为DC01。将其三维模型转换成STP格式，再将其导入Hypermesh软件[4]中。先抽取车门各个部件的中面，再进行几何修补及简化处理。采用8 mm的四边形单元对各个部件进行网格划分，网格模型中连接关系影响相互之间的受力传递，因此应当采用ACM单元模拟点焊，采用ADHESIVE单元模拟胶粘，采用RBE2单元模拟螺栓，以此建立后车门有限元模型，如图1所示。

图1 后车门有限元模型

2 模态性能仿真分析

为了得到后车门自由模态下的频率参数，采用Nastran软件[5]加载后车门有限元模型，不施加任何约束条件，对其进行模态性能仿真分析，得到其第一阶、第二阶和第三阶固有频率分别为45.1 Hz、52.4 Hz和65.7 Hz。该后车门的固有频率均处于外界激励频率范围之外，不会产生共振，符合振动特性设计要求。

如图2所示，为后车门第一阶模态阵型。由图2可知，车门的振幅值最大为31.04 mm，表现为中间凸起。如图3所示，为后车门第一阶应变能云图。由图3可知，车门的应变能最大值为25.91，位于把手附近。

图2 后车门第一阶模态阵型

图3 后车门第一阶应变能云图

如图4所示，为后车门第二阶模态阵型。由图4可知，车门的振幅值最大为38.35 mm，表现为窗框扭转。如图5所示，为后车门第二阶应变能云图。由图5可知，车门的应变能最大值为144.7，位于锁扣附近。

图4 后车门第二阶模态阵型

图5 后车门第二阶应变能云图

如图6所示，为后车门第一阶模态阵型。由图6可知，车门的振幅值最大为39.89 mm，表现为外板凹陷。如图7所示，为后车门第三阶应变能云图。由图7可知，车门的应变能最大值为179.3，位于车门内板。

图6 后车门第三阶模态阵型

图7 后车门第三阶应变能云图

3 模态频率测试

采用悬挂的方式将车门自由吊起，在车门上安装加速度传感器，采用力锤法以单点激励，测试各个点的响应，并基于频响函数法进后处理，得到后车门的前两阶试验阵型和测试频率值，如图8和图9所示。由图8可知，后车门的第一阶模态测试阵型为中间凸起，其频率测试值为44.34 Hz，其误差率为1.7%。由图9可知，后车门的第二阶模态测试阵型为窗框扭转，其频率测试值为50.31 Hz，其误差率为4.2%。因此验证了有限元仿真的准确性。

图8 后车门第一阶测试阵型

图9 后车门第二阶测试阵型

4 刚度性能仿真分析

为了获取后车门的扭转刚度性能，基于Abaqus软件约束车身铰链的所有自由度，同时约束门锁扣处YZ方向的平动和转动自由度，在门锁扣处分别加载绕X轴的扭矩±271 Nm，以此进行静态分析，得到其变形云图，如图10和图11 所示。由图10和图11可知，后车门观察点最大变形为1.627 mm和1.629 mm，均小于工程要求值，满足扭转刚度性能要求。

图10 后车门受扭271 Nm的位移云图

图11 后车门受扭-271 Nm的位移云图

5 结论

采用CAE技术对后车门进行自由模态性能仿真，得到车门的第一阶、第二阶和第三阶固有频率分别为45.1 Hz、52.4 Hz和65.7 Hz。车门的模态测试阵型和频率测试值与仿真值基本相同，因此说明有限元分析方法具有较高的可靠度。车门的扭转刚度最大变形值为1.629 mm，能够满足刚度性能要求。