基于頻響分析側碰傳感器安裝點結構優化設計

李書陽，常光寶，梁靜強，呂俊成，張發煉

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

?

基于頻響分析側碰傳感器安裝點結構優化設計

李書陽，常光寶，梁靜強，呂俊成，張發煉

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

為保證側碰傳感器安裝位置的動剛度及共振性能，提出側碰傳感器安裝位置結構動剛度及共振性能評價的頻率響應分析方法。以某車型安全氣囊側碰傳感器安裝位置結構為研究對象，利用HyperMesh軟件建立了有限元模型，通過Radioss求解器進行了動剛度及共振性計算分析，然后對安裝位置結構進行了改進設計。最終優化方案達到了設計目標要求，避免了側碰安全氣囊在車輛正常行駛過程中發生誤爆等危害乘客安全的隱患。

側碰傳感器；頻響分析；動剛度；共振性；有限元法

0 引言

汽車側碰安全氣囊傳感器作為汽車被動安全系統的重要模塊，用于監測、采集碰撞加速度信號，控制安全氣囊的起爆時間，對保護乘員人身安全具有重要作用。但是，車輛在行駛過程中安全氣囊由于共振原因可能會發生誤爆，這樣安全氣囊不但不能對乘客起到保護作用，反而會對乘客安全造成極大的傷害。為了避免發生安全氣囊在車輛正常行駛過程中誤爆進而危害乘客安全的隱患，側碰安全氣囊傳感器安裝位置必須滿足一定的動剛度及共振性設計要求，而在車輛前期開發設計階段通過有限元仿真分析可有效提高傳感器安裝點結構設計的效率及準確性。

1 側碰傳感器安裝位置結構動剛度及共振性分析原理

動剛度分析是評價車身安裝點NVH性能的重要方法。動剛度是結構產生單位振幅所需要的動態力，表征了結構在動態載荷下抵抗變形的能力。動剛度并不是一個常數，它隨頻率的變化而變化，是頻率的函數。分析車身安裝點動剛度時，施加源點單位力激勵，輸出源點加速度響應，源點加速度曲線則稱為IPI(Input Point Inertance)曲線。IPI是考察車身安裝點局部動剛度的重要指標，其計算公式為：

式中：F為安裝點所受載荷；Z為安裝點動剛度；a為加速度；ω為圓頻率；f為頻率；X為位移。

側碰安全氣囊傳感器安裝點動剛度結果采用20 dB表示，IPI曲線設計要求如圖1所示。可以看出：某車型前期設計側碰傳感器安裝點結構原方案的動剛度在主要關注頻率范圍內幾乎完全不滿足目標，結構需要優化。

圖1 側碰傳感器安裝點動剛度評價標準

側碰安全氣囊傳感器安裝點共振性設計要求主要通過安裝點的聲慣量曲線來體現，聲慣量計算公式如下：

其中：F(ω)為頻域上的激勵力；Ax(ω)、Ay(ω)、Az(ω)為安全氣囊側碰傳感器安裝點在頻域上的X、Y、Z3個方向加速度響應。

聲慣量曲線必須滿足圖 2 所示的評價標準。為滿足安裝點動剛度及共振性設計要求，側碰安全氣囊傳感器安裝點結構的聲慣量曲線必須落在可接受區和良好區內。

圖2 聲慣量曲線判定標準

2 有限元仿真分析及優化

2.1 有限元仿真分析

某車型安全氣囊側碰傳感器總體尺寸38 mm×31 mm×29 mm，大小相對整個白車身而言非常小，其安裝點位于B柱內板下緣。為了減少劃分網格時間，降低對計算資源的要求，

故僅需選取側碰傳感器周圍區域結構(B柱區域、頂蓋部分結構、門檻部分結構、地板部分結構)作為分析對象。利用HyperMesh軟件進行有限元網格建模，分析模型如圖3所示：鈑金件選用Shell單元類型，單元尺寸10 mm×10 mm；選用Acm單元模擬焊點連接；螺栓連接選用Rigids單元；對單元賦予相應的結構屬性和材料屬性，材料參數中，彈性模量為2.1×105MPa，材料密度為7.83×103kg/m3，泊松比為0.3。將邊界約束X、Y、Z3個方向自由度設定為有限元仿真邊界條件。選擇模態頻響法，在側碰傳感器安裝點處分別施加X、Y、Z3個方向的動態單位激勵力，分析頻域為10～2 000 Hz，選取RADIOSS 求解器進行計算，輸出側碰傳感器安裝點頻域下的3個方向加速度響應。

圖3 側碰傳感器安裝區域結構有限元模型

前期設計方案有限元仿真分析結果見圖4、圖5中原方案結果曲線，可以看出：原方案Y向動剛度在10～1 000 Hz內幾乎完全不滿足設計目標要求，且聲慣量曲線在高于370 Hz頻率段超出可接受區域，存在共振風險。

圖4 側碰傳感器安裝位置結構各優化方案Y向加速度及動剛度對比

圖5 側碰傳感器安裝位置結構各優化方案聲慣量結果對比

2.2 側碰傳感器安裝點結構優化

由上文有限元分析結果可知,側碰傳感器安裝點前期設計結構的動剛度及共振性能存在一定的風險，故考慮從以下幾方面提高該結構動剛度及共振性能：

方案一：僅將B柱內板由0.7 mm增厚至1.0 mm；

方案二：安全帶卷收器安裝孔周圍增加翻邊設計；

方案三：在側碰傳感器安裝位置增加凸臺設計及一局部加強板。

安裝點結構具體優化方案如圖6所示。

圖6 安裝位置結構及優化方案

因側碰傳感器安裝位置Y向為激勵與響應主方向，故文中只列出Y向加速度響應及動剛度結果曲線如圖4所示。文中動剛度關注頻率范圍10～1 000 Hz。

側碰傳感器安裝點結構的共振性能由其聲慣量進行判定，各優化方案聲慣量結果如圖5所示。文中聲慣量關注頻率范圍10～2 000 Hz。

由圖4、5結果對比曲線可以看出：

(1)方案一中將B柱內板整體加厚僅將動剛度及聲慣量曲線向高頻率偏移，并不能徹底解決該問題且成本較高；

(2)方案二和方案三雖然成本較低、工藝簡單可行，但仍有個別頻率段動剛度不滿足目標以及聲慣量曲線超出可接受區域上限，不可接受；

(3)基于方案二和方案三動剛度及聲慣量結果，最終方案將方案二與方案三進行組合，既在安全帶安裝孔周圍增加翻邊設計又在側碰傳感器安裝位置周圍增加凸臺設計及增加加強板，通過分析計算，效果非常明顯，其動剛度及聲慣量結果完全達到設計目標要求。

3 試驗驗證

側碰傳感器安裝點結構采用有限元仿真分析最終方案進行樣車試驗驗證。在圖7中B柱下端點1處安裝加速傳感器，在點2處使用力錘進行Y向敲擊，需要注意力錘激勵不允許出現雙峰信號。

采集測試傳感器的加速度信號和力錘的激勵信號，數據處理后獲得該側碰傳感器安裝點的頻響特性曲線，并將之與上文所得有限元仿真分析結果進行對比，結果如圖8所示。測試響應曲線處于可接受區上限以下。通過對比可知試驗結果與有限元仿真分析結果基本一致，均滿足側碰傳感器的安裝要求，充分證明了有限元仿真分析方法的可行性與實用性。

圖7 采用最終方案的實車測試圖

圖8 仿真結果與測試數據對比

4 結論

利用頻率響應分析方法對某車型側碰傳感器安裝點結構動剛度、聲慣量進行了分析及優化，同時對最終優化方案進行了試驗驗證，試驗結果表明最終方案共振性能滿足了設計目標要求，消除了側碰安全氣囊在車輛正常行駛過程中發生誤爆等危害乘客安全的隱患，提高了車輛乘坐的安全性。另外，在車型研發前期通過CAE分析工具的運用，縮短了設計周期，提高了設計質量，節約了開發成本。

[1]王志亮，劉波，桑建兵，等.動剛度分析在汽車車身結構設計中的應用[J].機械設計與制造,2008(2):30-31. WANG Z L,LIU B,SANG J B,et al.Dynamic Stiffness Analysis in the Application of Auto-body Structure Design[J].Machinery Design & Manufacture,2008(2):30-31.

[2]DE SILVA C W.Vibration:Fundamentals and Practice[M].Boca Raton:CRC Press LLC,2000.

[3]KIM K,CHOI I.Design Optimization Analysis of Body Attachment for NVH Performance Improvements[R].SAE Paper,2003-01-1604.

[4]龐健，諶剛，何華．汽車噪聲與振動——理論與應用[M].北京:北京理工大學出版社，2006.

[5]李樂新，沈智達，雷濟平.安全氣囊ECU支架的頻響分析及模態優化[J].機械設計與制造,2012(4):273-275. LI L X,SHEN Z D,LEI J P.Frequency Response Analysis and Modal Optimization of Airbag ECU Bracket[J].Machinery Design & Manufacture,2012(4):273-275.

[6]劉顯臣.汽車NVH綜合技術[M].北京:機械工業出版社，2014.

[7]張守元，張義民，戴云，等.車身連接點動剛度分析及NVH性能改進研究[J].汽車技術，2010(10):26-29. ZHANG S Y,ZHANG Y M,DAI Y,et al.Study on Dynamic Stiffness Analysis of Body Attachment for NVH Performance Improvements[J].Automobile Technology,2010(10):26-29.

新起點 新跨越——德梅柯新廠正式落成

6月23日，中國汽車裝備制造領域的龍頭企業——上海德梅柯汽車裝備制造有限公司新工廠盛大開業，并舉行了以“新起點，新跨越”為主題的工廠新址落成慶典。嘉定區副區長傅俊，華昌達董事長顏華，副董事長、全球總裁陳澤，上海德梅柯汽車裝備制造有限公司總裁孔兵以及德梅柯的客戶、合作伙伴等均蒞臨本次慶典現場，共同見證德梅柯開啟全新篇章的重要時刻。

在整個汽車制造的過程中，完成焊接但未涂裝之前的車身，包括車身結構件及覆蓋件的總成，俗稱“白車身”。白車身相當于人體的骨架，因而其結實程度對車身安全性的影響不言而喻。上海德梅柯汽車裝備制造有限公司正是國內白車身及汽車智能裝備行業的領導者，而工廠新址的正式落成將為其樹立嶄新的里程碑。

德梅柯始創于2003年，主要客戶包括通用、大眾、上汽、寶馬、福特、吉利、沃爾沃、長安和江鈴等。

坐落于嘉定北工業區的德梅柯新工廠占地61 272 m2，現在引進了最先進的生產設備并正式投產，預示著德梅柯的研發生產線不斷向信息化和智能化轉型。德梅柯的另一核心技術——虛擬調試技術，即在前期模擬真實情況下的各個環節，節省現場調試時間近1/3，幫助德梅柯在保證效率的同時，為廣大客戶提供更加高質量的產品與服務。

(來源：俞慶華)

Frequency Response Analysis and Optimization of Side Impact Sensor Installing Position

LI Shuyang, CHANG Guangbao, LIANG Jingqiang, LV Juncheng, ZHANG Falian

(SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545007, China)

In order to guarantee a certain dynamic stiffness and resonance performance for the installation position of side impact sensor, with frequency response analysis method, the evaluation standard of dynamic stiffness and the resonance performance was established for the installing position of sensors with side impact. The finite element model for analysis was established by HyperMesh software，and calculated by Radioss solution．Curves of calculated results were analyzed，and the structure of the sensor installing position optimized made the dynamic stiffness values and resonance performance of sensor installing position met practical requirements.

Side impact sensor；Frequency response analysis；Dynamic stiffness；Resonance performance；Finite element method

2017-03-21

李書陽，男，碩士，工程師，主要從事汽車NVH分析研究工作。E-mail：shuyang.li@sgmw.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.004

U461.2

A

1674-1986(2017)07-015-04