汽车仪表板横梁模态有限元分析

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关键词:汽车仪表 板横梁模态有限元分析

    1 概述 

    仪表板横梁是汽车上的一种重要的承载机构,主要安装汽车仪表,安全气囊,转向系统等,汽车在行驶的过程中,本身受到的冲击振动较大,为了避免仪表板横梁与车身产生共振作用,必须对设计进行模态分析, 

    在设计人员在进行产品开发时,会导致零件的局部设计不够合理,从而导致模型不能满足模态要求。随着计算机软硬件的发展,CAE技术日益成熟,各种仿真方法,例如:有限元法,多体动力学,流体等技术,在现代产品设计中大量应用,在设计工程师完成初步的设计后,可以进行虚拟的产品试验,检验零件强度,刚度等是否达到目标值。如果产品不能满足要求,则依据分析结果,可以提出优化建议,从而可以大大缩短实物试验周期,降低成本费用,较好的提高产品的设计质量。 


    图1是汽车仪表板横梁、转向管柱总成各组成部分。


    表1为仪表板横梁模型中各组成部分质量说明。在仪表板模态分析的过程中,模型的重量对分析结果影响较大,各部分的重量一定要和设计部门提供的重量相符。


    2 有限元模型的建立 

    首先本文模型的建立通过Catia建模后导入有限元分析软件HyperMesh中,导入的图形一般要进行修正处理,几何模型不等于有限元模型,需要对几何模型进行几何清理,才能生成准确的有限元模型。本文中转向系统总成结构比较复杂,在建立模型的过程中,为了保证分析精度和缩短分析时间,采用大小为3*3的尺寸建立二维单元,在此基础上生成实体单元。转向盘内部具有的安全气囊采用质量点的形式模拟。为了提高模态分析的准确性,仪表板横梁安装于部分白车身中,在横梁的两端和下支架与白车身进行固定。同时,在建立模型的过程中,不同的车型仪表板横梁周边连接件也不相同,本文分析的模型中,制动踏板和离合器踏板同时与白车身和横梁相连。 

    模型中要保留与转向机相连的上节臂和下节臂,两者之间的十字铰节采用共节的Beam单元模拟,分别要释放Beam单元两端的轴向旋转自由度,采用这种方式模拟可以使模型更加准确。 

    模型中使用的材料为合金钢,材料的弹性模量为1.7* E5MPa,泊松比为0.3。 

    所建立的仪表板横梁模型如图2所示。

    3 理论依据 

    仪表板横梁模态分析主要考虑一阶模态频率,汽车在怠速的过程中,发动机的振动频率一般和本身的气缸数和冲程数有关,对于一般4缸4冲程的发动机其怠速频率可以按以下公式进行计算: 

    f=2*4*800/60*4=26.7Hz 

    为了防止仪表板横梁发生共振,一阶模态一般要求要高于怠速模态3Hz左右,即在本文中仪表板横梁的一阶模态要高于30Hz,即可以满足使用要求。 

    4 边界条件的施加 

    在模态分析的过程中,约束方式和模型的重量对分析结果影响较大,所以,要对模型施加准确的边界条件。本文截取白车身的部分模型,在模型的边缘处进行全约束,在下节臂与转向机连接处为自由状态。

    5 分析计算 

    通过分析,得出仪表板横梁带白车身的模态分析情况,如图4和图5所示。




    图中仪表板横梁的一阶模态为29.6Hz,一阶振型为垂向摆动,二阶振型为水平摆动。为了进一步提升仪表板横梁的模态,本文对设计方案提出了改进建议。 

    6 设计优化 

    仪表板横梁为圆筒形梁,从分析数据中,可以得出横梁的厚度对模态的贡献量较多,本文主要从以下两个方面提升设计分析数据。一 将仪表板横梁由之前的厚度1.2mm增加为1.5mm。二 仪表板横梁与车身连接支架厚度由1.2mm增加为1.5mm。模型如图6所示。


    通过进一步分析得出,改善后的模型模态有所提高,一阶模态为31.2Hz,振型为垂向摆动。二阶模态为35.5Hz,振型为水平摆动,改善后的模型完全可以满足使用要求。 

    (审核编辑: 智汇张瑜)