南昌大学本科生毕业论文—M1后车门模态性能设计分析

1、 密级： NANCHANG UNIVERSITY学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（20102014年）题 目 M1后车门模态性能设计分析 学 院： 机电工程 系 机械工程 专业班级： 车辆101 学生姓名： 学号： 指导教师： 王丽娟 职称： 副 教 授 起讫日期： 2014年3月1日2014年5月24日摘 要M1后车门模态性能设计分析 专 业：车辆工程 学 号： 学生姓名： 指导教师：王丽娟摘 要 模态是振动系统特性的一种表征，它构成了各种车身结构复杂振动的最基本的振动形态。为了在汽车使用中避免共振、降低噪声，需要知道结构振动的固有频率及其相应的振型。模态分析的最终

2、目标是为了得到模态参数，为结构系统的动力特性分析、故障诊断和预报以及结构的动力特性的优化设计提供依据。   汽车在行驶过程中的激励一般分为路面激励、车轮不平衡激励、发动机激励、传动轴激励。路面激励一般由道路条件决定，目前在高速公路和一般城市较好路面上，此激励频率多出现在1-3Hz，一般对低频振动影响较大；因车轮不平衡引起的激励频率一般低于11Hz，随着现在轮辋制造质量及检测水平的提高，此激励分量较小，易于避免；发动机引起的激励频率一般在23Hz以上，此激励分量较大；城市中一般车速控制在5080Km/h，高速公路上一般车速控制在 80120 Km/h，传动轴的不平衡引起的振动的频率范围

3、在40Hz以上，此激励分量较小。由这些外界激振源会引起车门产生共振，带来噪音，极大的降低了车辆的乘坐舒适性，造成扳件的抖动开裂，零部件的疲劳损坏，车门表面保护层的破坏，削弱车门的抗腐蚀能力等。   因此，为提高汽车产品的开发设计水平，达到优化设计的目标，需要对汽车车门进行模态分析，通过有限元计算来得到该结构在不同频率下的振型，避免因共振等原因引起的结构破坏。 关键词：车门；有限元；路面激励； 模态分析AbstractModal is one of the vibration system feature representation, it constitutes the

4、most basic of all kinds of complex body structure vibration the vibration of the form. In order to avoid resonance in the car use, to reduce the noise, need to know the inherent frequency of structure vibration and corresponding vibration mode. Modal analysis of the ultimate goal is to get the modal

5、 parameters, for the analysis of the dynamic characteristics of structure system, fault diagnosis and forecast, and provides the reference for the optimization design of structural dynamic characteristics.Car generally divided into the road incentives, in the process of driving wheel unbalance excit

6、ation, engine, transmission shaft incentives. Pavement incentive generally determined by the road conditions, now on the highway and generally better city road, the excitation frequency appeared in 1-3 hz, more general impact on the low frequency vibration; Caused by wheel unbalance excitation frequ

7、ency is generally lower than 11 hz, as rim now to raise the level of manufacturing quality and test the incentive weight is small, easy to avoid; Engine caused by excitation frequency is in commonly more than 23 hz, the incentive weight; Average speed control in the city in 50 80 Km/h, general speed

8、 control on the highway in 80 120 Km/h, the imbalance caused by the vibration of transmission shaft in more than 40 hz frequency range, the incentive weight is smaller. Produced by the external excitation source will cause the door resonance, noise, greatly reduce the ride comfort of vehicle, lead t

9、o pull a jitter cracking, fatigue damage of the parts and the door of the destruction of the surface layer, weaken the corrosion resistance of the door, etc.Therefore, in order to improve the level of automotive product development design, achieve the purpose of the optimization design, need a modal

10、 analysis was carried out on the car door, through the finite element method to get the vibration mode of the structure under different frequencies, avoid structural failure caused by resonance and other reasons.Keywords: Door ； FEM ； Road excitation ； Modal AnalysisII目录目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1引言1

11、1.2研究背景11.3研究目的和意义21.4有限元分析国内外研究现状21.5研究内容4第二章 有限元法理论及Hyperworks工具软件52.1有限元法简介52.2有限元法基本特点52.3有限元法的基本步骤52.4 Hyperworks软件简介62.5 HyperMesh的功能模块72.6 HyperMesh常规建模流程82.7 本章小结9第三章 车门有限元建模103.1汽车车门几何模型的建立和导入103.2几何清理113.3网格划分133.4网格质量检查163.5模型装配183.6定义材料属性193.7建立存储单元203.8用 Nastran求解器进行求解203.9 本章小结20第四章 后车

12、门的模态分析214.1 模态分析理论基础214.2模态提取方法214.3模态分析的作用224.4模态分析步骤234.5 后车门的模态分析234.6 本章小结27第五章 全文总结与展望285.1 全文总结285.2 工作展望28参考文献29致 谢30IV第一章 绪论第一章 绪论1.1引言轿车后车门是轿车车身重要的组成部分。后车门刚度不足通常会引起后车门边角处的变形量过大，以至出现后车门卡死、所需关闭力较大、密封不严而导致的漏风、渗水现象，还会产生后车门的振动，带来噪音，极大的降低了车辆的乘坐舒适性，造成零部件的疲劳损坏，破坏车身表面的保护层，从而削弱抗腐蚀能力1。后车门的模态分析可以预测后车门与

13、其它部件如发动机、传动系及路面之间发生动态干扰的可能性。为此，在轿车后车门结构设计及结构优化中必须进行有限元分析。有限元分析技术在汽车CAE中有着举足轻重的作用，而有限元前处理技术是有限元仿真分析的基础。尤其在汽车行业，有限元前处理要占用CAE分析流程中大约超过50%的时间，前处理划分的网格质量对分析精度有很大影响，因此高效的前处理软件可大大缩短CAE分析时间和产品开发周期，从而节约开发成本。 HyperMesh是汽车行业应用最广的前处理平台，它可以为NASTAN、ABAQUS、LS-DYNA、ANSYS等有限元软件提供有限元网格。同时，HyperMesh提供了丰富的CAD软件接口，

14、如CATIA、UG、Pro/E、IGES、STEP等，读入CAD模型的速度和效率较高。HyperMesh为各种有限元软件（求解器）配有接口，选择对应求解器模板，可得到求解器标准输入文件。1.2研究背景汽车工业作为国家工业化水平的代表性产业，也是最具典型的成熟性产业，它与其他产业有很大的关联度。与此同时，汽车产业和工业的发展，还会带动其他产业的发展，特别是随着现代技术的高投入与创新步伐的加快，汽车产业出现高产出的经济特点，从而进一步推动国民经济的发展。我国汽车行业从80年代起开始进入了突飞猛进的全面发展阶段，并在1994年列入支柱性产业，其发展速度更是迅猛。经过几十年的发展，我国汽车行业的产品结

15、构、技术结构以及市场结构发生了明显的变化，车门总成结构设计作为汽车系统中的关键部件之一，其装配质量将直接影响到汽车运行的稳定性、质量、寿命和能耗。尤其是随着现代国内、国际之间汽车行业竞争的加剧，领先科学进步，优化产品设计，提高产品质量，以降低成本，已经成为企业生存与发展的唯一出路2。1.3研究目的和意义车门是车身的重要组成部分，也是汽车被动安全性研究的重点。在汽车发生交通意外，车门遭到垂直于车辆纵向中心平面方向的撞击时，挤压距离的大小以及车门能承受的最大挤压力的大小直接关系到驾驶员与乘客的安全。碰撞后的车门必须能够轻松的不借助于任何辅助工具打开，车门的变形量应限制在一定范围内，为乘员提供一个有

16、效的生存空间，同时要求车门在限定的变形范围内尽量吸收能量。同时车门是整个车身相对独立的部分，车门质量的好坏直接关系到整个车身的质量，包括舒适性、安全性、密封性等。同时其结构复杂、制造精度要求高，装配难度大，一直是汽车制造过程中的重点和难点。 车门是车身中工艺最复杂的部件，它涉及到零件冲压、零件焊接、零部件装配、总成组装等工序，尺寸配合和工艺技术都要求严格。车门是一个活动部件，其灵活性、坚固性、密封性等一些缺点很容易被人发现，很难蒙混过关。因此，汽车生产厂家对车门的制造质量是十分重视的，同时车门质量的高低，也反映了汽车厂家的工艺制造水平3。近年来HyperWorks技术在汽车开发中的应

17、用，大大的缩短了汽车的开发周期，降低了开发成本。目前，随着汽车轻量化和经济性能的不断提高，汽车各零件的刚度性能难免有不同程度的降低。本论文围绕将HyperWorks这种技术应用于M1前车门模态性能设计分析，使之达到较理想的效果。1.4有限元分析国内外研究现状车门的结构型式很多，有旋转门，拉门，折叠门和外摆式车门后两者主要用于大客车上。各类车的驾驶员专用门，货车及轿车车门，大多采用旋转门，开门时旋转方向可以是往前(顺开门)或往后(逆开门)，顺开门在行车中比较安全 对车门的要求有： 1)具有必要的开度，并能使车门停在最大开度，以保证上、下车方便。2）安全可靠，车门能锁住，行车或撞车时门不会自动打开

18、。3)开关方便，玻璃升降方便。4）具有良好的密封。5）具有足够的刚度。不易变形下沉，行车时不振响。6)制造工艺性好，易于冲压并便于安装附件。7）外型上与整车协调由此可见，车门结构设计对车身乃至整车都有重大的影响，随着经济全球进程的加快，汽车工业的竞争日益加剧，汽车巨头们都在加紧新车型的设计与开发，由于发动机、底盘设计制造技术基本成熟，新车型便主要体现在电子设各和车身造型的更新上。同时，为减少新车型的开发成本、缩短新车型的开发周期、提高新产品的市场竞争力，全球各大汽车公司普遍实施了“平台战略”(Platform Strategy 1，车身的开发便是该战略的主要组成部分目前，在一种新车型的开发项目

19、中，40的设计师和工程师是在从事与车身相关的开发。车身与汽车电子一起己经成为目前汽车整车产品中最活跃的因素。我国的汽车工业同发达国家相比仍然落后很多，归根结底就是因为车身技术的相对落后因此，要大力发展我国的汽车工业关键就在于车身技术的发展。在新车型的开发设计过程中，如何判断车门结构的合理性及车门结构静、动态性能的优劣，并对车门结构设计进行优化，是一项十分重要的工作。由于车门的结构十分复杂，用经典力学方法很难得到精确的优化解，为了能够计算出车门的刚度和强度，往往对车门结构进行较多的假设和简化，计算模型只能构造得非常简单，与实际的结构形状相差很大。轿车车门质量水平不仅反映了车体设计水平,而且也反映

20、了制造厂的制造质量和管理水平。车门装配质量与车体质量密切相关,因而又直接影响轿车生产的总装过程,车门制造装配误差过大,导致总装过程时不断调整,从而影响生产效率及整车质量。轿车车门的制造装配质量问题,受到了国内外产业界和学术界的普遍重视。围绕轿车车门质量乃至整个车体的质量问题,以美德日等轿车工业强国为代表,进行了较深入的学术研究和技术开发,提出了一整套提高轿车车体质量的系统的方法,从而达到了促进产品竞争力的目的。CAE在产品研究开发中将成为最重要的主角4。目前在汽车工业中使用的绝大多数CAE软件都是专用CAE软件,如:ANSYS, NASTRAN，HyperWorks,等,汽车工业是CAE软件的

21、主要应用领域， 1970年美国宇航局有限元结构程序NASTRAN的引入,标志着以有限元分析为基础的汽车结构设计与分析的开始，随着计算机技术的迅猛发展,用于工程分析的软硬件也有了很大的变化。目前在世界各大汽车公司广泛使用的分析软件有:NASTRAN, ANSYS, DYNA, ABAQUS, SAP, ADINA, HyperMesh等。1.5研究内容本论文以M1后车门为模型，建立车架CAD模型和有限元模型，应用有限元方法分析后车门模态分析的需求。利用HyperWorks软件通过不断的改变约束条件及车门的材料，从而选取最佳的方案。分析步骤如下：1、使用3D绘图软件建立M1后车门的几何三维模型，将

22、其导入到Hypermesh软件中。2、建立以壳单元为主的M1后车门的有限元分析网格文件。将其导入到MSC.Nastran 软件。3、使用MSC.Nastran 软件对有限元分析文件进行，单元类型的选取，单元数量的控制，单元质量的检查，载荷的加载。4、使用MSC.Nastran 软件分析命令对车门模型的各阶模态进行自由模态计算，确定模态参数，分析缺陷位置。综合考虑整车激励频率及车门和白车身共振可能性，以车门模态参数为优化目标，优化车门的动YH态性能，使车门各阶固有频率值均较好地避开了整车激励频率和白车身固有频率，提出改进措施。21第二章 有限元法理论及Hyperworks工具软件第二章 有限元法

23、理论及Hyperworks工具软件2.1有限元法简介自从1969年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法等同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。基本思想：由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。Courant第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解St.Venant扭转问题。现代有限单元法的第一个成功的尝试是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问

24、题的正确答案。1960年，Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了"有限单元法"，使人们认识到它的功效5。 2.2有限元法基本特点有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意

25、四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一6。2.3有限元法的基本步骤对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：确

26、定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程

27、组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。2.4 Hyperworks软件简介Altair

28、 HyperWorks 是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成设计与分析所需各种工具，具有无比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。建模及后处理HyperMesh MotionViewHyperViewHyperGraphHyperGraph 3DHyperCrash优化分析OptiStructHyperStudyHyperStudyDSSOptiStruct/AnalysisMotionSolve虚拟制造HyperFormHyperXtrudeForgingFriction Stir WeldingMolding流程自动化及数据管理Process ManagerData Man

29、ager 4 stacked (ADM) Client其它Process StudioBatch Mesher表1 HyperWorks软件模块分类1、OptiStruct 结构优化设计工具，提供拓扑、形貌、形状、尺寸等优化解决方案2、前后处理（1） HyperMesh高性能、开放式有限单元前后处理器，主要用于模型处理。相对其它软件，具有更为强大的网格划分能力。提供几乎所有主流商业CAD系统和CAE求解器接口。CAD接口如ProE，CATIA，IGES，UG等。CAE接口如ansys，optistruct，abaqus，nastran，dyna，ideas等（2）MotionView

30、 通用多体动力学仿真及工程数据前后处理器，拥有丰富的车身模型库并支持二次开发。（3）HyperGraph 仿真和实验结果的后处理绘图工具，拥有丰富的求解器和实验数据接口、数学函数库并支持后处理模块定制，实现数据处理自动化。（4）HyperView 完整的结果后处理工具，可处理有限元分析、多提系统仿真、视频和工程数据。（5）HyperStudy 为健壮性设计开发的参数化研究和多约束优化工具应用：实验设计（DOE）、随机仿真和优化技术2.5 HyperMesh的功能模块1 模型创建和编辑 在建立和编辑模型方面，HyperMesh提供用户一整套高度先进、完善的、易于使用的工具包。

31、对于2D和3D建模，用户可以使用各种网格生成模板以及强大的自动网格划分模块。HyperMesh的自动网格划分模块提供用户一个智能的网格生成工具，同时可以交互调整每一个曲面或边界的网格参数，包括单元密度，单元长度变化趋势，网格划分算法等等。HyperMesh也可以快速地用高质量的一阶或二阶四面体单元自动划分封闭的区域。四面体自动网格划分模块应用强大的AFLR算法。用户可以根据结构和CFD建模需要来单元增长选项，选择浮动或固定边界三角形单元和重新划分局部区域。2 强大的后处理功能 HyperMesh提供完备的后处理功能组件，让您轻松、准确地理解并表达复杂的仿真结果。HyperMesh具有完善的可视

32、化功能，使用等值面、变形、云图、瞬变、矢量图和截面云图等表现结果。它也支持变形、线性、复合以及瞬变动画显示。另外可以直接生成BMP、JPG、EPS、TIFF等格式的图形文件及通用的动画格式。这些特性结合友好的用户界面使您迅速找到问题所在，同时有助于缩短评估结果的过程。3 求解器接口 HyperMesh支持很多不同的求解器输入输出格式。HyperMesh同时具有完善的输出模板语言和C函数库，用于开发输入转换器，从而提供对其他求解器的支持7。2.6HyperMesh常规建模流程HyperWorks建构于设计优化、效能数据管理和流程自动化的基楚理念之上，是最全面的开放构架的CAE工作平台，包括第一流

33、的建模、分析、可视化和数据管理解決方案，能夠用于线性、非线性、架构优化、流固耦合和多刚体动力学等多个方面的深入研究。HyperMesh常规建模的流程图如下图所示：图2-1 HyperMesh常规建模流程图2.7 本章小结本章节内容主要介绍了有限元发的发展过程及其分析处理问题的过程，在工程领域的重要作用。介绍了有限元分析软件Hypermesh的主要模块及主要的特点为后续的分析奠定基础。第三章 车门有限元建模第三章 车门有限元建模3.1汽车车门几何模型的建立和导入本文所研究的对象是M1后车门，整个导入Hypermesh的汽车车门如图3-1所示：图3-1 导入Hypermesh的汽车车门图车门有限元

34、建模时应遵循的原则，在建立车门有限元模型时，应考虑以下几个方面：(1)为了提高计算的精度，建模时根据载货车门结构特点和载荷分布特点，在可能产生应力集中或者应力急剧变化的部位网格划分比其他部分细密，由细到粗应该逐步过渡，不应有网格尺寸上的突变。 (2)对于一些很小的或者不重要的螺栓孔、铆接孔和过渡圆角，在建模的时候可进行简化处理。(3)在进行网格划分时，保证任意一个板壳单元的顶点同时也是其相邻单元的顶点；尽可能的使形状规则，避免单元的某个边过长或过短以及某个内角太大或太小；某些部位允许其退化为三角形单元；某些通过焊接的方法连接到一起的两个零部件的重合部位的网格节点和单元应重合。(4)车门有限元模

35、型应尽可能的从几何特性及力学特性两个方面同时逼近车门真实结构，尤其是从动力学特性上逼近。导入汽车车门的模型将Catia细分好的零件以iges格式导出，再分别导入到Hypermesh中进行网格划分。其具体的导入过程如下： 启动Hypermesh。 选中右侧的Geom菜单。 点击工具栏的打开按钮。 依次点击面板的import、GEOM、IGES选项。 点击import按钮，浏览所要导入的模型文件，选择打开导入模型。 点击return。后车门导入catia的模型如图3-2所示：图3-2 后车门catia模型图3.2几何清理在进行有限元分析时，为了保证计算的准确性以及减小计算规模，在尽可能如实反映M1

36、后车门结构主要力学特性的前提下，应该尽量简化车门结构的几何模型，以便有限元模型采用较少的单元和较简单的单元形态。在建模过程中可能会出现一些重复曲面、缺失曲面，我们必须对零件进行几何特征的修复，以便后面几何特征的简化得到形状较规则、边界条件完整的几何图形。几何清理的操作步骤： 使用拓扑显示工具决定哪些部分需要几何清理； 使用equivalence工具尽可能一次合并尽量多的自由边； 使用toggle工具挨个处理剩余的自由边； 使用find duplicates工具检查重复曲面并删除； 使用filler surface工具创建缺失曲面； 在Geom子菜单下进入的面板； 选中pinholes,点击黄色

37、faces选项选择display，再点击右侧find按钮,若想保留，点击右键，否则点击delete； 选中surf fillets，点击黄色surf选项选择display，再点击右侧find按钮,若想保留，点击右键，否则点击remove； 选中edge fillets，点击黄色surf选项选择display，再点击右侧find按钮,若想保留，点击右键，否则点击remove，点击return按钮完成返回。图3-3 后车门几何清理前图图3-4 后车门几何清理后图3.3网格划分网格划分是有限元仿真的基础，它关系仿真计算的精度和效率。在划分网格的时候，为建立正确、合理的有限元模型，划分网格时应考虑的一

38、些基本原则12:1、网格数目 网格数目的多少将影响计算结果的精度和计算规模的小。一般来讲，网格数目增加，计算精度会有所进步，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数目时应权衡两个因数综合考虑。在决定网格数目时应考虑分析数据的类型。在静力分析时，假如仅仅是计算结构的变形，网格数目可以少一些。假如需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。同样在响应计算中，计算应力响应所取的网格数应比计算位移响应多。在计算结构固有动力特性时，若仅仅是计算少数低阶模态，可以选择较少的网格，假如计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。在热分析中，结构内部的温度梯度不大，不需要大量的内部单元，这时可划分较

39、少的网格。2、网格疏密 网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。划分疏密不同的网格主要用于应力分析(包括静应力和动应力)，而计算固有特性时则趋于采用较均匀的钢格形式。这是由于固有频率和振型主要取决于结构质量分布和刚度分布，不存在类似应力集中的现象，采用均匀网格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元素不致相差太大，可减小数值计算误差。同样，在结构温度场计

40、算中也趋于采用均匀网格。3、网格质量 网格质量是指网格几何外形的公道性。质量好坏将影响计算精度。质量太差的网格甚至会中止计算。直观上看，网格各边或各个内角相差不大、网格面不过分扭曲、边节点位于边界等份点四周的网格质量较好。网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量。划分网格时一般要求网格质量能达到某些指标要求。在重点研究的结构关键部位，应保证划分高质量网格，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。而在结构次要部位，网格质量可适当降低。当模型中存在质量很差的网格(称为畸形网格)时，计算过程将无法进行。网格划分的操作步骤： 点击component=按钮，选择

41、； 点击右侧return按钮，将当前component collector设置为选择的对象，接下来创建的单元具有当前collector的性质，包括单元类型、材料特性和单元实常数特性； 按下快捷键F12，弹出对话框； 点击黄色surfs选项，选择display； 输入elem size=10,点击右侧mesh按钮，完成网格划分； 点击return按钮，确定网格划分并退出网格划分对话框。按以上步骤，划分好的M1后门外板的单元网格如图3-5。图35 外板网格M1后车门内板网格图形如下图3-6所示图3-6 内板网格M1后车门内加强板网格图如下图3-7所示：图3-7 内加强板网格后车门原件与网格划分后对

42、比如下图3-8和3-9：图3-8 划分网格前车门图3-9 划分网格后车门3.4网格质量检查在网格质量检查之前要先设置网格合格的标准，进入设置面板的方法为：2D页面 qualityindex面板 pg3 edit criteria，然后将edit criteria file中的参数按下面截图3-10来设置：图3-10标准参数设置CAE分析的准确和稳定很大程度都取决于前处理网格的质量，而我们本课题的零件较为复杂，网格的质量就显的尤为重要。一般来说，三角形网格在计算的时候很不稳定，容易出现节点的突变，我们应该尽量避免。在我们这次分析中，三角形网格在总共网格中的比例不超过10%，具体质量要求如下：a.

43、单元长度：通常按照10mm划分，但最小单元长度不要小于5mm；b.单元长宽比：小于1：5；c.雅各比：大于0.5；d.最小四边形内角：大于40度；最大四边形内角：小于135度；e.最小三角形内角：大于15度；最大三角形内角：小于140度；f.最大翘曲度：小于12度；g.三角形占全部单元比例：整个模型最好小于10%，最多不超过15%。查看在本次分析过程中所生成的网格质量，点击宏菜单里的QA按钮，再点击QI按钮，结果如图3-11图3-11 网格质量图从图各数据可以看出，这个网格质量符合要求。我们可以看到，单元数25588其中四边形有23324个，三角形有1620个，三角形网格在总共网格中的比例是6

44、.3%，不符合规范的为0%，说明网格的划分很规范，计算的结果准确真实。3.5模型装配模型的装配涉及到不同部件之间的连接问题，一般的连接方式为点焊和螺栓连接，这些连接有各自的特点，在有限元软件中的模拟方式也各不相同.车门的装配以焊接为主，如何准确的模拟焊接显得尤为重要，在静态分析中，焊接的不正确模拟会导致应力集中，使得错过应力真正过大的区域。图3-12为点焊，主要用于小零部件及非主要承载部件的连接；图3-13为螺栓连接，主要是固定的多点约束。在有限元模型中，考虑到实际的焊接工艺要求，在建立焊点单元时，应尽量使建立焊点单元的两个节点位置比较接近，必要时需要调整单元节点的位置保证焊点的距离，除此之外

45、还应尽量保持焊接单元垂直于节点所在的平面，这样可以使其最大程度地和实际焊接点的刚度、强度相一致。图3-12 点焊（刚性连接）图3-13 螺栓连接点焊的操作步骤为：（1）打开1D页面，点击rigids菜单；（2）选择create命令，在dependent选项中选择node（如果是多点焊就是nodes)，在elem types选项中选择REB2； （3）依次选择需要焊接的两点即可完成焊接。焊接好后的模型如下图3-14：图3-14 焊接后的车门3.6定义材料属性车门材料主要参数如表3-1所示：表3-1材料主要参数表名称材料弹性模量(GPa)泊松比密度kg/mm3车门Steel2100.37.910-

46、6在HyperMesh中，材料属性存储在Mats collectors中，材料属性建立的步骤为16： 选择collectors工具条按钮； 在面板左边选择create子面板； 点击collector type开关并从弹出菜单中选择materials； 点击name=并输入steel； 点击card image=并从弹出菜单中选择MAT1，；选择MAT1时将有三个附加项显示； 点击CREAT/EDIT,弹出MAT1的卡片信息； 对选项E输入2.1e+05，对NU输入0.3，对RHO输入7.9e-09； 点击return按钮。3.7建立存储单元在HyperMesh中，零件的单元存储在compone

47、nt collectors中。在划分零件的单元之前，应该建立相应的component collector以存储该零件的单元。具体步骤为： 点击collector type开关并从弹出菜单中选择components;点击name=并输入shells；点击card image=并从弹出菜单中选择pshell； 点击material=并选择steel； 点击color并选择一种颜色； 点击CREAT/EDIT,弹出PSHELL的卡片属性CARD IMAGE； 输入厚度值； 点击return按钮。3.8用 Nastran求解器进行求解要想查看应力云图和振型，必须有结果文件，首先我们要把由hyperme

48、sh中建好的有限元模型以dat的格式保存，然后导入到Nastran中求解，即可得到res；op2；pch等格式的结果文件。3.9 本章小结本章主要介绍了运用Hypermesh对模型进行几何清理、网格划分、网格质 量检查等前期准备工作，在划分好网格后分析对应工况对模型进行加载，提交到Nastran求解器进行运算。第四章 后背门的模态分析第四章 后车门的模态分析4.1 模态分析理论基础固有频率和振型向量是表示振动系统特征的重要物理量，是进行车门动态机构设计必不可少的参数。对于车门这样多自由度的大型系统，求出其全部固有频率和振型向量是非常困难的。系统较低的若干阶固有频率及其相应的振型向量对其动态响应

49、的贡献最大，故在研究系统的响应时往往只需要了解少数的固有频率和振型向量8。4.2模态提取方法在有限元分析软件模态分析的模块中提供了多种模态提取方法，选择适当的提取方法对车门进行模态分析是很重要的，它将直接影响到求解的速度和精度。以下将分析比较几种模态提取方法:(1)子空间迭代法(subsPace)用于求解特征值对称的大矩阵的问题。(2)兰索斯法 BlockLanczos也可用于以上的问题，收敛速度更快。采用稀疏矩阵求解方法。(3)PowerDynamic法用于非常大的模型(超过100000个自由度)，特别是用在求解前几阶模态。为了解模型特征的问题，可使用子空间叠代法或 BlockLanczos

50、法以取得最终的结果。(4)凝聚法(ReduceHouseholder)法采用缩减的系统矩阵来求解，较子空间叠代法速度快，但准确性要差一些。在这种方法里，结构可用少量的自由度(称主自由度)来表示，这样就只产生较小的矩阵。在处理完整矩阵时，如遇到内存不足或磁盘空间不够等情况，可以选择凝聚法。使用凝聚法时，必须仔细选择主自由度，因为主自由度选择的不当可导致不正确的质量分布和不正确的特征值。(5) Unsymmetric法也采用完整的刚度和质量矩阵，适用于刚度和质量矩阵为非对称的问题（例如声学中流体-结构耦合问题）。此法采用Lanczos算法，如果系统是非保守的（例如轴安装在轴承上），这种算法将解得复

51、数特征值和特征向量。(6)阻尼法(Damped)有些问题阻尼不能忽略，如对汽车轮胎的分析，阻尼法允许在结构中包含阻尼因素9。比较常用的方法是子空间迭代法和 BlockLanczos法，这两种方法能使大部分的模态分析得到很好的解决，非对称矩阵法及阻尼法只应用于某些特殊的场合。BlockLanczos方法博采众长，它采用稀疏矩阵方程求解器，是将nxn阶实矩阵经相似变换约化为三对角矩阵以求解特征值问题的一种方法，运算速度快，输入参数少，特征值、特征向量求解精度高。由于它采用了Storm序列检查，在用户感兴趣的频率范围内，在每个漂移点处如果找不到所有的特征值，Lanzos方法会给出提示信息，弥补了丢根

52、的缺陷。故本文采用 BlockLanczos方法提取车门模态10。4.3模态分析的作用模态分析是新车型开发中有限元法应用的主要领域之一，是新产品开发中结构分析的主要内容。尤其是车身结构的低阶弹性模态，它不仅反映了汽车车身的整体刚度性能，而且是控制汽车常规振动的关键指标，应作为汽车新产品开发的强制性考核内容。用有限元法对车身结构进行模态分析，可在设计初期对其结构刚度、固有振型等有充分认识，尽可能避免相关设计缺陷，及时修改和优化设计，使车身结构具有足够的静刚度，以保证其装配和使用的要求，同时有合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的。使产品在设计阶段就可验证设计方案是否能满足使用要求，从而缩短设计试

53、验周期，节省大量的试验费用，是提高产品可靠性的有效方法。模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析11。模态分析的最终目标在于识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。对系统模型进行模态分析可以达到如下目的：1)可以预测其动态特性，对不合理处进行结构修改，提高产品的动态性能；2)了解系统的模态频率和振型，判断各连接件是否己组合为整体模型；3)可以判断各构件对系统刚度的贡献，判断结构上的薄弱环节；4)通过振型研究还可以为试验模态响

54、应点与激励点的布置提供参考；5)通过计算得到的模态参数与试验模态作对比判断有限元模型的合理性；6)模态分析的结果可作为系统进行进一步动力学分析的基础19。当汽车在高速行驶中，由于路面不平坦、风阻以及发动机的运转等振源激励下，车门会产生振动。如果上述这些振源的振动频率接近于车的振动频率时，就会发生共振，产生剧烈的振动和噪声，严重影响了乘坐舒适性及安全性，同时也会使车门的使用寿命大大降低。通过车门的有限元模态分析，可以分析并诊断出车门结构不合理之处，进而对其结构优化。设计出合理结构，从而避开共振频率。不仅可以达到优化设计的目标，而且还提高汽车产品的研发水平。模态分析技术的应用可归结为一下几个方面：

55、 1) 评价现有结构系统的动态特性； 2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计； 3) 诊断及预报结构系统的故障； 4) 控制结构的辐射噪声； 5) 识别结构系统的载荷4.4模态分析步骤对车架进行模态分析主要有以下步骤:(l)在Pro/E中建立车架的三维模型。(2)施加边界条件和载荷(对于自由模态不施加约束条件)，定义分析类型和求解方法并进行网格划分、提交求解器求解。(3)提取结果，进行可视化处理，对结果进行分析12。4.5 后车门的模态分析在对M1后车门模型进行模态分析的过程中，因为求解的是后车门结构本身的固有特性，与后车门所受外部载荷没有关系，所以可以忽略外部载荷的作用。针对后车门结构的动态特性来说，如果采用实际的边界条件支撑来进行有限元模态分析，毫无疑问会更加精确的得到后车门工作过程中的动态性能，但由于在实际工作过程中边界条件非常复杂，而且，如果添加过大刚度的实际边界条件，会在有限元分析的过程之中造成刚度矩阵的“病态”，反而会影响到计算结果的精度。因此，采用实际的边界支撑条件进行有限元分析是很难实现的。另外，从理论上来讲，采用自由边界支撑条件时计算得到的模态参数能够通过数学建模的方法来转化得到任意边界约束条件下的特性；反之，在指定的边界条件下所得到的计算结果则无法通过数学建模的方法转化为其它边界约束条件下的特性。综合考虑以上几种原因，