NVH模擬教程-基於白車身模態結果的靈敏度分析

05-20

來自專欄汽車NVH模擬

2017-09-25Peter Rabbit

注意：

文章中配圖為高清配圖，看不清請點擊圖片；
使用軟體：

前處理：Hypermesh 14.0

求解器：Nastran 2017

後處理：Excel 2010, UltraEdit

摘要
分析流程
模態分析
靈敏度分析設置過程
靈敏度數據後處理

摘要白車身靈敏度分析就是確定白車身特性響應對板件厚度變化的靈敏度，白車身特性響應主要包括車身整體彎扭模態頻率，車身整體彎扭剛度等。

靈敏度分析是結構優化的基礎，通過靈敏度分析，可以把白車身板件分為三類：高靈敏板件、低靈敏板件和負靈敏板件。適當加厚高靈敏板件、減薄不靈敏板件和負靈敏板件，可以實現白車身的性能改進和輕量化設計。

靈敏度分析的關鍵在於對靈敏度分析進行評價，判定板件的靈敏性。本次分享給出車身板件靈敏度分析的過程以及靈敏度評價指標。通過分析靈敏度數據，判定板件的靈敏性。

分析流程

提取模態階次信息

首先，在做板件靈敏度分析之前，我們需要現對模型進行模態分析，目的是為了得到我們需要進行靈敏度分析對應的模態的階次信息，比如說，本次我們需要了解車身板件厚度對車身一階段扭轉模態頻率的靈敏度，我們事先要獲取一階扭轉模態所在的階次。

靈敏度分析

提取到模態階次信息後，就可以進行板件厚度靈敏度分析了，對於靈敏度分析設置，我們需要設置4個量，分別為：

設計變數（以板件厚度為設計變數）；
響應變數（設計變數的改變引起響應量的改變，響應量可為位移，頻率，質量，體積等等）；
約束變數（約束響應量變化的範圍）；
目標值（期望響應量達到的目標值）。

舉個數學例子來說明以上4個量之間的關係：

有一個正四邊形，4條邊總長度為 D（約束量），長為 a，寬為 b. 通過改變 a 與 b 長度（設計變數），其中 a, b 要滿足 a > 2b（約束量），求四邊形圍成的面積 S 最大（響應量與目標值）。

靈敏度後處理

通過提交Nastran計算，會得到 .f06 結果文件，通過UltraEdit與Excel 軟體對數據進行處理，我們便可得到板件的靈敏度。

模態分析在之前的分享中已經給出模態分析的具體過程，讀者可以點擊超鏈接『模態分析教程』回顧一下。在這裡就不重複敘述了，直接給出模態分析結果。本次分享將針對白車身一階扭轉模態進行車身板件的靈敏度分析，下圖所示為白車身一階扭轉模態，模態頻率 34.7Hz，對應的階數為第 7 階。

靈敏度分析設置過程靈敏度分析是在上面模態分析的基礎上進行的。用Hypermesh導入上面的模態分析模型。看到模態分析的模型樹如下圖所示，注意：在這裡模態工況步名為 "modal" .

首先，點擊Hypermesh右下角 "analysis" 中的 "control card"，進入後點擊 "sol"，把原來求解模態的 "Normal Modes" 改成 "Design optimization". 該設置表示接下來進行的是優化分析。

設計變數設置

點擊右下角 "analysis" 界面中的 "optimization"

進入界面，點擊「gauge」進行設計變數的設置：

進入 "gauge" 界面，點擊 "props" 選擇需要分析其靈敏度的板件，下圖為選擇的18組板件。"lower bound" 與 "upper bound" 表示允許板件厚度的上下變化範圍，其餘設置如下圖所示，點擊 "creat" 完成。

完成這一步設置後，模型樹上將會出現新增的設計變數（design variables）與設計變數屬性關係（design variableproperty relationships），我們剛剛選擇的每一個板件都會對應有一組設計變數，本次共有18組設計變數。

響應量設置

由於本次靈敏度分析的最終目的是在保證車身動力性能前提下，儘可能減輕重量。所以在這裡，需要設置的響應量有兩個，其一是車身一階扭轉模態頻率，其二是車身質量。同樣，在 "analysis" 界面中點擊 "optimisation" 進入以下界面，然後點擊 "response" 設置響應。設置第一個響應，命名為mass，"response type" 選擇 "weight" 表示響應量為重量，點擊 "creat" 完成。

同理，點擊 "optimisation" 中的 "response" 設置第二個響應，命名torsion，"response type" 選擇 "freq"，表示響應量為頻率(Hz)，"mode number" 填上7 (對應的一階扭轉模態的階數)，最後，點擊creat完成。

到這裡，模型樹上會出現兩個響應量(optimization responses)

約束變數設置

點擊 "optimisation" 界面中的 "dconstraints"（約束），在 "dconstraints" 界面中，命名為c_tor，勾選 "lower bound" = 35，點擊 "response" 選擇 torsion，點擊 "loadsteps" 選擇前面設置的模態分析工況步 "modal"，點擊creat完成。該設置表示約束 - 模態分析得到的一階扭轉模態頻率值最低要求達到35Hz.

到這裡，模型樹將出現優化約束(optimization constraints)

目標值設置

最後一步，設置目標值。點擊 "optimisation" 界面中的 "objective"，選擇 "min"，"response" 選擇 "mass"，點擊 creat 完成。該設置表示，優化的目標為車身總質量最小。

到這裡，靈敏度分析的4個量就已經全部建立完成，最後，完整的模型樹如下圖所示：

靈敏度數據輸出設置

把分析模型導出後綴為 .bdf 計算文件，用 Ultraedit 軟體打開計算文件，然後在圖示程序後面加上以下程序 "DSAPRT(FORMATTED, END = SENS) = ALL"，該段程序表示優化分析過程中只輸出靈敏度數據，而不進行進一步的板件厚度優化。點擊保存，然後就可以把計算文件提交到Nastran計算。

靈敏度數據後處理提交Nastran計算後，我們會得到一個後綴 .f06 的文件，在這個文件裡面存儲著我們需要的板件靈敏度數據，用 UltraEdit 軟體打開（PC自帶的文本軟體也能打開 .f06 文件，但不方便操作）。

打開後，拉到文檔幾乎最末端，我們將會看到以下所示的靈敏度數據 "DESIGN SENSITIVITY MATRIX OUTPUT"，如下圖所示。

在 "RESPONSE TYPE = WEIGHT" 列表中，編號 1~18 表示我們設置的 18 組設計變數，跟著後邊的 "GEXAMPL1" 是設計變數的命名，與 hypermesh 中設置的18組板件對應；"COEFFICIENT" 列數據表示質量靈敏度，數值的意義表示對應的板件厚度每增加 1mm，車身總質量的變化量。同理，在 "RESPONSE TYPE = FREQ" 中，對應的 "COEFFICIENT" 列數據表示對應的板件厚度每增加 1mm，模態頻率的變化量。下面我們舉個例子說明：

"RESPONSE TYPE = WEIGHT"

1 GEXAMPL1 3.0385E-3 表示設計變數1 號板件每增加 1mm，車身總重量增加 3.0385E-3 ton；

"RESPONSE TYPE = FREQ"

1 GEXAMPL1 3.3888E-2 表示表示設計變數1 號板件每增加 1mm，車身一階扭轉模態頻率增加 3.3888E-2Hz.

以上數據分別給出了板件厚度與模態頻率，質量之間的關係，沒有直接給出質量與模態頻率之間的關係。為了實現車身輕量化目的，我們在這裡引出一個指標 --- 靈敏度比，即頻率靈敏度與質量靈敏度之比，表示車身每增加單位質量，對應模態頻率的變化量。我們可以把在 .f06文檔上的靈敏度數據複製出來然後粘貼到 Excel上進行處理。

下表是處理後的頻率質量靈敏度比。從這個表中，我們就可以找出高靈敏度板件，低靈敏度板件以及負靈敏度板件。在滿足工藝與其他性能指標（強度，碰撞）要求前提下，想辦法減少低靈敏度與負靈敏度板件厚度，適當加厚高靈敏度板件，有助於達到車身輕量化的目的。

拓展閱讀：

1. 白車身(BIW)自由模態分析

2. NVH模擬教程-車身原點動剛度分析與後處理

你的轉發是對作者最大的支持，如果本次分享對你有幫助，不要忘記分享給身邊的朋友哦；
如果讀者們對本次分享有疑問或者建議，可以在評論區或者公眾號留言。

關注微信公眾號

汽車NVH模擬

auto_nvh_simulation