Pri razvoju avtomobilov ima analiza karoserije brez notranjih in zunanjih oblog, pogonskega sklopa ter podvozja – tako imenovana Body-in-White (BIW) analiza – ključno vlogo pri razumevanju hrupa, vibracij in trdote (NVH – Noise, Vibration and Harshness). Namen takšne analize je določiti mehanske in dinamične lastnosti osnovne strukture vozila ter napovedati njeno obnašanje pod različnimi pogoji obremenitve.
Postopek vključuje več korakov, kot so izračun upogibne in torzijske togosti v statičnem stanju, ekstrakcija lastnih frekvenc za kasnejše dinamične simulacije, določitev frekvenčnih odzivov ter modalna dinamična analiza. Slednja omogoča tudi simulacije udarcev in oceno napetosti, ki lahko vplivajo na utrujenost materiala.
Za natančno napoved vibracijskega odziva vozila se v postopku določi prehodna (transientna) obremenitev, definirana z večsestavno periodično funkcijo. Ta kombinira različne sinusne in kosinusne komponente, kar omogoča realističen prikaz kompleksnih dinamičnih vzbujanj, kot jih vozilo doživlja med vožnjo. Na podlagi teh podatkov se izvede modalna analiza z uporabo metode Lanczos, s katero se izračunajo lastni načini vibracij do 50 Hz.
Končni korak predstavlja modalna dinamična analiza, ki omogoča simulacijo odziva strukture v časovni domeni pri 10 sekundah vzbujanja, ob upoštevanju globalnega dušenja konstrukcije. Na ta način inženirji pridobijo celovito sliko o dinamičnem obnašanju karoserije in njeni odpornosti na vibracije ter hrup.
Postopek izvajanja BIW analize
Simulacijo izvedemo na že predpisanem modelu končnih elementov (FEM) preproste avtomobilske šasije. Za nastavljanje simulacije bomo uporabili 3DEXPERIENCE Simulia Model Assembly Design, Structural Model Creation in Mechanical Scenario Creation
- Model Assembly Design: Predpišemo FEM, definiramo osnovne parametre sestava
- Structural Model Creation: Predpišemo povezave, materiale in karakteristike mreže
- Mechanical Scenario Creation: Definiramo robne, začetne in frekvenčne pogoje ter poženemo simulacijski postopek
Postopek začnemo z definicijo nihanja v odvisnosti od časa, zaradi česar lahko trdimo tudi, da je analiza tranzientna. Ker je pomembno, da analiziramo le šasijo brez kompleksnih komponent vozila (motor, pogonski sklop…), je pomembno da predpišemo ustrezno harmonično funkcijo:
Funkcijo lahko v program vnesemo kot excel graf oz. predpisano funkcijo v razpredelnici kot splošno amplitudo. Prav tako predpišemo faktor dušenja 0.04, ki predstavlja komponente, ki niso zavzete v mreži.
Lanczos-ova metoda
V linearni dinamični analizi se za izračun lastnih frekvenc in oblik konstrukcije pogosto uporablja Lanczosova metoda. Gre za učinkovito iterativno numerično tehniko, namenjeno velikim konstrukcijskim modelom, kjer bi klasični postopki zahtevali preveč pomnilnika in časa. Metoda temelji na postopnem zmanjševanju dimenzionalnosti problema tako, da iz originalnega sistema enačb gibanja oblikuje manjši tridiagonalni sistem, ki ohrani bistvene dinamične značilnosti konstrukcije.
S tem omogoča hiter in natančen izračun najnižjih lastnih frekvenc, ki imajo največji vpliv na obnašanje vozila pri vibracijah in resonancah. Zaradi svoje stabilnosti in učinkovitosti je Lanczosov reševalnik danes standard v simulacijskih orodjih, kot sta Abaqus ali 3DEXPERIENCE, kjer predstavlja ključen korak pri modalnih in frekvenčnih analizah vozil.
Rezultati analize
Konturni rezultati so pri BIW (Body-in-White) analizi izjemno pomembni, ker omogočajo vizualno in kvantitativno oceno obnašanja karoserijske strukture med različnimi obremenitvami in pogoji. Gre za ključno orodje pri razumevanju togosti, deformacij in napetosti v karoseriji še pred montažo drugih komponent:
- Vizualizacija porazdelitve obremenitev:
Konturni rezultati (npr. napetosti, pomiki, deformacije) omogočajo inženirjem, da hitro prepoznajo kritične točke konstrukcije – mesta, kjer se pojavljajo največje napetosti ali deformacije. - Preverjanje togosti in vztrajnosti karoserije:
BIW analiza pogosto vključuje torzijsko in upogibno togost karoserije. Konturni rezultati pokažejo, kako se struktura zvija ali upogiba pod določeno obremenitvijo, kar je ključno za dosego zahtevane vozne dinamike in varnosti. - Optimizacija mase in materiala:
Z analizo konturnih rezultatov je mogoče ciljno ojačati ali razbremeniti določena območja, da se zmanjša masa, ne da bi se pri tem poslabšala trdnost.
Opazimo, da se največji pomiki pojavijo na najbolj oddaljeni točki od vira vibracij (tal). To nam pove, da je potrebno streho avtomobila dimenzionirati v skladu z predpisi za dolg življenjski cikel in varnost vozila samega.
Hitra Fourierjeva transformacija (FFT) ima pri BIW frekvenčni analizi ključno vlogo, saj omogoča pretvorbo časovnih signalov v frekvenčno domeno. V praksi to pomeni, da lahko inženirji iz meritev ali simulacijskih podatkov razberejo, katere frekvence vibracij so prisotne v karoseriji in kako se nanje odziva.
Opazimo, da se vrhovi pojavijo pri okoli frekvenc 4,8, in 12, kar pomeni, da je tam nevarnost, da naše vozilo izkusi resonanco.
Prav tako lahko izvedemo analizo pomika pri specifičnem frekvenčnem koraku.
Zgoraj vidimo, kakšen vpliv na vozilo bi imela frekvenca 7.615, ki je ena izmed vrhov, predstavljeni v FFT grafu.
Frekvenčna analiza v fazi BIW je ključna za razumevanje, kako se karoserijska struktura odziva na vibracije in dinamične obremenitve. S pomočjo sodobnih numeričnih metod, kot je Fourierjeva transformacija, lahko inženirji določijo lastne frekvence, oblike nihanja in potencialne resonance, ki vplivajo na togost ter udobje vozila. Tak pristop omogoča optimizacijo zasnove že pred fizičnim prototipom, kar vodi do tišjih, stabilnejših in bolj vzdržljivih karoserij ter posledično do izboljšane celotne kakovosti vozne izkušnje.
Če želite dodatne informacije, kako Vam lahko koristi BIW metoda, nas kontaktirajte na info@ib-caddy.com ali pa prek telefonske številke (01) 566 12 55.