汽車前保險杠系統(tǒng)模態(tài)分析中部件接觸的研究

石 錦 杜登惠 蔣 晨 岳亮亮

（泛亞汽車技術(shù)有限公司）

1 前言

汽車保險杠系統(tǒng)的整體模態(tài)是其前期開發(fā)階段需要關(guān)注的重要性能指標(biāo)。若模態(tài)指標(biāo)不滿足要求，將在整車疲勞耐久試驗(yàn)或客戶使用過程中出現(xiàn)保險杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損壞等問題。

在汽車保險杠產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)階段，因沒有物理樣件，所以通常采用CAE虛擬仿真來評估保險杠系統(tǒng)模態(tài)，預(yù)測其結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，因而較高CAE仿真結(jié)果的置信度成為保險杠開發(fā)能力的體現(xiàn)。本文通過對虛擬分析結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，合理改進(jìn)CAE分析方法，進(jìn)一步提高保險杠系統(tǒng)模態(tài)仿真結(jié)果的置信度。

2 模態(tài)分析方法

保險杠系統(tǒng)的模態(tài)分析方法主要有理論模態(tài)分析方法和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法。

2.1 理論模態(tài)分析

在實(shí)際工程中，通常采用數(shù)值方法進(jìn)行理論模態(tài)分析，由于有限元法具有很強(qiáng)的實(shí)用性和通用性，區(qū)域離散的有限元法在眾多數(shù)值方法中最受歡迎[1]，因此，將采用有限元法對汽車前保險杠進(jìn)行理論模態(tài)分析，求解基本原理如下。

對于具有多個自由度的系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動方程為[2]:

式中，[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{x}為節(jié)點(diǎn)位移列陣；{f}為結(jié)構(gòu)載荷列陣。

由于需要分析結(jié)構(gòu)的固有特征，所以取{f}=0；同時因結(jié)構(gòu)的阻尼很小，對固有頻率和振型的影響可忽略不計(jì)，則無阻尼自由振動方程為:

式（2）為常系數(shù)齊次微分方程，設(shè)其解為:

式中，xM為振幅列矢量；j2=-1；t為時間；w為振動固有頻率，令w2=λ。

將式（3）代入式（2），并令其有非零解的條件系數(shù)行列式必須等于零，則

由式（4）可解得特征值所對應(yīng)的第i階特征矢量 xMi，即對應(yīng)于各階固有頻率 w1，w2，，…，wn，則有各階固有振型 xM1，xM2，…，xMn。

2.2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

模態(tài)試驗(yàn)測試系統(tǒng)包括激勵設(shè)備、傳感系統(tǒng)和分析設(shè)備三部分。通常采用力錘作為激振，以單點(diǎn)激振、多點(diǎn)拾振來采集數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過專業(yè)軟件處理即可得到模態(tài)振型和頻率。前保險杠系統(tǒng)的模態(tài)測試在整車上進(jìn)行，其試驗(yàn)流程見圖 1。

3 模態(tài)有限元分析

3.1 模型描述

采用hypermesh軟件截取半車模型進(jìn)行有限元建模，包括前保險杠系統(tǒng)、部分白車身、副車架、翼子板和大燈等，如圖2所示。對于前保險杠系統(tǒng)的各零件，用網(wǎng)格準(zhǔn)確表現(xiàn)其幾何特征和安裝孔位；由于塑料零件可能存在厚度變化的情況，根據(jù)不同幾何數(shù)模分組并賦予不同的厚度。

前保險杠系統(tǒng)在車身側(cè)的安裝點(diǎn)同樣是建模的關(guān)鍵。對于螺栓、螺釘、推釘?shù)冗B接方式，各安裝孔采用了兩圈四邊形單元模擬，以確保內(nèi)圈的外徑與墊片尺寸相同，并采用MPC單元連接內(nèi)圈節(jié)點(diǎn)；對于塑料卡扣，根據(jù)搭接位置和面積選取節(jié)點(diǎn)并采用MPC單元進(jìn)行連接；采用ACM模擬點(diǎn)焊，輸入實(shí)際焊點(diǎn)的直徑；采用adhesives模擬涂膠；采用共節(jié)點(diǎn)的方式模擬T型部位的超聲波焊接。

3.2 計(jì)算結(jié)果

利用有限元軟件Nastran計(jì)算前保險杠系統(tǒng)模態(tài)，得到第1階頻率為22.1 Hz，振型為上下方向的彎曲振動，如圖3所示。由于前保險杠近似懸臂系統(tǒng)安裝在車身前端，加之集成了許多功能件，具有一定質(zhì)量，因此上下方向的彎曲振動是其主要振型之一。

4 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，將三向加速度傳感器布置于非低階模態(tài)振型節(jié)點(diǎn)位置，并確保傳感器的位置和數(shù)量可描述保險杠系統(tǒng)的大致外形，以測量和記錄測點(diǎn)在整車坐標(biāo)系中的位置。本文所研究的前保險杠系統(tǒng)中布置了30個傳感器，包括車身側(cè)4個測量點(diǎn)、副車架上3個測量點(diǎn)、蒙皮上16個測量點(diǎn)、下腹板上6個測量點(diǎn)和小腿保護(hù)桿上1個測量點(diǎn)，見圖4和圖5。

考慮到保險杠系統(tǒng)總成尺寸及特性，利用Maxwell互異性原理，采用錘擊法輸入能量，同時通過調(diào)整合適的輸入能量確定系統(tǒng)線性范圍，在系統(tǒng)線性范圍內(nèi)測得試驗(yàn)結(jié)果。

首次測量得到的原始狀態(tài)的前保險杠系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)頻響結(jié)果如圖6所示，可知試驗(yàn)的第1階模態(tài)為28.9 Hz，為彎曲振型。雖然第1階模態(tài)振型與有限元分析結(jié)果一致，但由于頻率與有限元分析結(jié)果相差達(dá)6.8 Hz，因此需要進(jìn)行試驗(yàn)與有限元模型對比研究。

5 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

5.1 模型狀態(tài)對比

通過對試驗(yàn)車狀態(tài)、整車CAD數(shù)模及有限元模型進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，在實(shí)車中，吸能塊在垂直和水平方向被緊密地擠壓在前保險杠蒙皮與防撞梁之間，小腿保護(hù)桿前端也與前保險杠緊密接觸；在CAD數(shù)模中，吸能塊與防撞梁之間及小腿保護(hù)桿與前保險杠蒙皮之間存在設(shè)計(jì)間隙，見圖7。

在設(shè)計(jì)前保險杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，為保證部件之間的配合會留有一定間隙，以便吸收制造偏差，避免在裝配過程中發(fā)生干涉，影響功能實(shí)現(xiàn)或造成安全隱患[3]，通常吸能塊與防撞梁之間的設(shè)計(jì)間隙約為5 mm。而試驗(yàn)車上的吸能塊由于制造偏差的緣故吸收了間隙，與防撞梁密實(shí)壓緊。小腿保護(hù)桿與吸能塊的情況相同，在制造偏差的影響下與蒙皮發(fā)生了接觸。然而由于設(shè)計(jì)間隙的存在，在初始的有限元模型中并未考慮上述接觸關(guān)系。

5.2 接觸對模態(tài)試驗(yàn)的影響

為了在試驗(yàn)中考查吸能塊和小腿保護(hù)桿對前保險杠系統(tǒng)模態(tài)的貢獻(xiàn)量，設(shè)計(jì)了2組試驗(yàn):第1組試驗(yàn)去除吸能塊，第2組試驗(yàn)去除吸能塊和小腿保護(hù)桿。試驗(yàn)結(jié)果見表1、圖8和圖9。

表1 前保險杠系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果 Hz

由試驗(yàn)結(jié)果可知，去除吸能塊后，第1階模態(tài)頻率由28.9 Hz下降至24.6 Hz，其在該車型中對前保險杠系統(tǒng)模態(tài)的貢獻(xiàn)量為4.3 Hz，約占原始模型第1階頻率的15%；而去除吸能塊和小腿保護(hù)桿后，第1階頻率為24.9 Hz，比僅拆除吸能塊升高0.3 Hz，說明小腿保護(hù)桿對模態(tài)的貢獻(xiàn)量為負(fù)。

5.3 接觸對模態(tài)有限元分析的影響

為在有限元分析中考查吸能塊和小腿保護(hù)桿對前保險杠系統(tǒng)模態(tài)的貢獻(xiàn)量，采取去除吸能塊與同時去除吸能塊和小腿保護(hù)桿，并分別在考慮接觸和不考慮接觸2種情況下進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 前保險杠系統(tǒng)模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果 Hz

由表2可知，試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果的第1階頻率的振型均一致，為彎曲模態(tài)。當(dāng)考慮接觸時，頻率的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高；不考慮接觸時，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大。

當(dāng)原始模型中未考慮吸能塊和小腿保護(hù)桿與周邊零件的接觸時，模態(tài)計(jì)算值為22.1 Hz；當(dāng)考慮接觸后，模態(tài)計(jì)算值為28.3 Hz，與試驗(yàn)結(jié)果僅相差0.6 Hz。進(jìn)一步分析吸能塊和小腿保護(hù)桿對模態(tài)的貢獻(xiàn)量，先拆除吸能塊，并考慮小腿保護(hù)桿接觸蒙皮，則計(jì)算結(jié)果為24.8 Hz，與試驗(yàn)結(jié)果僅相差0.2 Hz；然后同時拆除吸能塊和小腿保護(hù)桿，計(jì)算結(jié)果為24.1 Hz，與試驗(yàn)結(jié)果相差0.8 Hz。

由上述可知，吸能塊的接觸導(dǎo)致第1階模態(tài)頻率上升3.5 Hz，貢獻(xiàn)量達(dá)12.4%；小腿保護(hù)桿的接觸使得第1階模態(tài)頻率上升2.4 Hz，貢獻(xiàn)量達(dá)8.5%。由此表明吸能塊和小腿保護(hù)桿在前保險杠系統(tǒng)中的接觸關(guān)系對提高模態(tài)頻率起了很大作用。

6 結(jié)束語

通過對某車型前保險杠系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，研究了接觸在前保險杠系統(tǒng)模態(tài)分析中的貢獻(xiàn)量，結(jié)果表明:

a.汽車前保險杠中部件之間的接觸關(guān)系對模態(tài)結(jié)果有很大影響。在有限元模型中適當(dāng)考慮吸能塊和小腿保護(hù)桿與防撞梁和蒙皮的接觸，可顯著提高計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度以及有限元模型的可靠性。

b.在進(jìn)行模態(tài)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性分析時，除要檢查主要零件清單及主要連接部位外，還應(yīng)考慮產(chǎn)品實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)之間的差異，并據(jù)此修正有限元模型，保證分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性。

1 黃金陵主編.汽車車身設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

2 G.R.Liu，S.S.Quek，著；龍述堯，等譯.有限元法實(shí)用教程.長沙:湖南大學(xué)出版社，2004.

3 曹渡主編.汽車內(nèi)外飾設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.