汽車擋風玻璃洗滌液噴水壺模態與頻響分析

何鋒，馮春亮

(貴州大學機械學院，貴州貴陽550025)

0 引言

汽車擋風玻璃洗滌液噴水壺是汽車洗滌液的盛放容器，由壺體及前下、前上、右后上、后下4 個支架組成。由于多數汽車的噴水壺安裝在發動機附近，振動環境較惡劣，且汽車行駛中壺體加入洗滌液后受到液體載荷的沖擊，各個支架受力不均等，導致壺體開裂、支架處松動等問題。在批量生產前，為了驗證洗滌液噴水壺動態特性是否滿足要求，對其進行CAE 分析。

通過建立某車型用擋風玻璃洗滌液噴水壺三維模型，運用有限元分析軟件對其進行約束模態分析和頻率響應分析，以驗證其在正常工況下各部分的應力應變是否滿足要求，保證產品可靠性。

模態分析是研究結構固有振動特性的方法，通過模態分析可以了解結構的共振區域，驗證三維模型是否正確［1］。頻響分析是用來計算結構在穩態振動激勵下的響應的方法，可以得到系統結構的響應與頻率之間的關系［2］。兩者結合分析有限元模型，便可以較好地驗證模型的動態特性。

運用有限元分析軟件Nastran 對噴水壺三維模型進行約束模態與頻率響應分析［3-4］，通過讀取結果并對結果分析便可以得到洗滌液噴水壺的動態特性，且驗證其動態特性是否合理。

1 建立洗滌液噴水壺有限元模型

1.1 建立模型

在盡量保持噴水壺主要特征、不改變其力學性能的前提下，忽略某些對模型整體力學性能影響較小的幾何特征(如凹槽、小孔等)，對噴水壺進行簡化。建立簡化后的噴水壺三維模型。

1.2 劃分網格

對建立好的三維模型進行網格劃分，其中對網格數量、網格疏密度、單元階次、網格質量等進行合理調整，主要單元指標如表1 所示。

表1 主要單元標準

網格劃分完成后的有限元模型如圖1 所示。模型中，節點總數為17 961 個，單元數為18 127 個。

模型中長度單位為mm，力單位為N，質量單位為t，重力加速度取g =9.8 m/s2。洗滌液壺本體及支架有限元網格大小按照4 mm 進行劃分，單元類型為CQUAD4 及少量CTRIA3 板殼單元。洗滌液壺本體和支架之間的連接采用節點融合的方式實現。

1.3 施加載荷

施加載荷過程中，洗滌液壺本體及支架的質量通過分析軟件的屬性選項卡自動實現;洗滌液壺裝載液體的質量通過修改洗滌液壺本體材料密度進行質量匹配。該洗滌液壺加水總質量為4.5 kg。

2 約束模態分析

2.1 邊界條件

邊界條件:約束洗滌液壺4 個支架位置螺栓孔連接處6 個方向自由度，如2 所示。

根據洗滌液壺試驗激振頻率的特點，約束模態考察范圍選取30 ～40 Hz。

2.2 施加材料特性

洗滌液壺本體及支架材料為PP4，該材料具有優異的耐熱氧老化和光老化性能，以保證零件在惡劣環境下的安全性。材料特性如表2 所示。

表2 材料特性

2.3 模態分析

邊界條件與材料屬性施加完成后，對其進行約束模態分析。分析結果顯示，在30 ～40 Hz 頻率范圍內只有1 階模態出現，模態位移變形結果及應變能結果如圖3、圖4 所示。

2.4 結果分析

在30 ～40 Hz 頻率范圍內，洗滌液壺只有1 階模態出現，主要振型為前后方向擺動，固有頻率為36.78 Hz;從模態應變能結果可以看出，此時能量主要集中在洗滌液壺的前下支架上，其余支架及本體應變能較小。

3 頻率響應分析

在4 個支架約束處同時分工況強迫施加前后、左右、上下方向的加速度，加速度為3g。

分析得到頻率響應結果部分圖形如圖5—7 所示。

表3 洗滌液壺頻響分析應力結果

從表3 可以看出:在30 ～40 Hz 范圍內存在3 個頻響峰值，分別為33.11、36.79、39.30 Hz。所有工況中，33.11、36.79 Hz 時的應力峰值均出現在洗滌液壺前下支架處，39.30 Hz 時的應力最大值出現在后右上支架處。前后方向激勵工況下，在36.79 Hz 時最大應力峰值位于前下支架處，大小為57 MPa，超過材料屈服強度，見局部放大圖8。且在33.11 Hz 頻率時最大應力也出現在該支架處，與試驗的激振頻率33 Hz 接近，易造成疲勞損壞。同時結合以上模態分析結果可知，36.78 Hz 是洗滌液壺的固有頻率點，且前下支架處的應變能非常大。

4 結論

通過對擋風玻璃洗滌液壺結構的CAE 仿真分析研究得出:在30 ～40 Hz 頻率范圍內，洗滌液壺只有1 階模態出現，主要振型為前后方向擺動，其前下支架應變較大，其他部分應變較小。

該壺的前下支架局部應變過大，結構設計不合理。應對該支架結構進行進一步的加強改進設計，以確保洗滌液噴水壺總成能夠滿足使用要求。

【1】傅志方，華宏星.模態分析理論與應用［M］.上海:上海交通大學出版社，2000:10-18.

【2】張科進，管義群.基于頻響分析的客車骨架動態特性研究［J］.客車技術與研究，2009，31(6):8-10，15.

【3】蘇小平，朱健.基于MSC. Nastran 的輕型客車車身骨架的模態分析［J］.制造業自動化，2010，32(10):142 -143.

【4】吳碧磊，秦民，李幼德，等. 載貨汽車駕駛室乘坐舒適性研究［J］.汽車工程，2006，28(12):1057-1061.