基于Solidworks車內裝飾件的建模及模態分析

陳舒揚

（自貢職業技術學校，自貢 643000）

隨著經濟發展及生活水平的提高，家用汽車逐漸普及。越來越多的家庭擁有汽車，人們對于家用汽車的認識不僅僅停留在其作為交通工具的基本功能上，而賦予其更多的含義。人的本質是追求個性化的，每個人都希望自己與其他人有所不同，能夠讓自己和其他人區別出來，這種個性化也體現在所購買的汽車上。汽車行業是傳統行業，對于同一款車型，雖然提供高、中、低配的車型，以及多種顏色的選擇，但是遠遠不能滿足人們對個性化的需要與追求。于是，汽車后服務市場便為滿足人們的需要制造出許多裝飾件，以便人們能夠根據自己的需要對汽車進行個性化裝飾，以滿足自己的精神需求。而在這些裝飾件中，部分因為沒有考慮車上惡劣的使用環境，在裝車后，往往出現一些令人不快的副作用，如振動、異響等。而這些振動、異響很容易破壞主機廠花費很大代價所做的NVH工作，引起乘坐舒適度的下降。于是，在人們對汽車舒適度要求越來越高的今天，對車載裝飾件的振動、噪聲分析顯得很有必要。

本文針對裝飾件引發的噪聲問題，使用Solidworks建模，并對模型模態進行分析，找到其共振頻率，研究裝飾件存在的共振問題以發現其噪聲的真正來源，并提出改進辦法，經檢驗效果較好。

1 模型建立

該模型來自于實車上安裝的裝飾玩偶（見圖1），該裝飾件通過3M雙面膠與中控臺進行連接。其中，3M雙面膠厚度為3mm，可以非常牢固地將該裝飾件與中控臺進行連接。裝飾件圓盤邊緣與中控臺不直接連接，且有1mm的間隙，因此該裝飾件與中控臺呈簡支梁狀態。在車輛行駛過程中，特別是低速行駛工況下，該裝飾件會發出難聽的持續異響；而車輛在地面靜止時，無論是在750RPM怠速工況下，還是將轉速提高到4000RPM區間內，均不會有異響產生。由于裝飾件本身較小，僅僅通過人耳聽，很難發現噪聲來源于裝飾件的哪個部分，故在Solidworks中建立模型并對其進行分析。

圖1 裝飾件實物圖與Solidworks模型

由于計算資源能夠完全滿足該模型有限元計算，故不簡化模型，直接仿照裝飾件實物進行建模。

2 模型網格劃分及約束條件設置

該裝飾件為ABS材質，為線彈性材料，其各參數如表1所示。使用Solidworks Simulation，先對其賦予材料，利用選擇材料模塊，添加符合該裝飾件特性的材料。然后添加約束，由于所使用的3M雙面膠并不是粘滿整個底座，所以需要對底座進行分割。如圖2所示，將底座分割為兩個部分，并對其中雙面膠粘貼對應位置添加固定約束。

表1 裝飾件材料參數

該裝飾件在汽車低速勻速行駛時產生異響，并不存在所受慣性力導致改變頻率的情況，所以在受力方面僅對其施加重力。使用網格劃分工具劃分網格。由于模型部分位置相對較尖，所以必須使用更加精確的網格，否則容易造成網格無法劃出。劃分網格后的模型如圖3所示。

圖2 3M膠粘貼位置與模型中所使用約束位置

圖3 裝飾件網格模型

3 裝飾件模態求解及結果分析

3.1 模態理論分析

模態分析是基于振動學的，而本文中的情況為受迫振動，所以其微分方程可以列為：

其中：M為振動系統的質量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；F為系統所受的外界激勵；x為振動的位移向量。

本文將裝飾件考慮為柔性體，所以該裝飾件實際上有無數個固有頻率，其固有頻率可以通過分析僅受重力下的動態響應而獲得。即（1）式中F=Mg，對于整個裝飾件來說，考慮的是其雙面膠以上部分的模態，整個裝飾件阻尼很小，為欠阻尼系統，則近似于C=0，得到無阻尼彈性振動微分方程為：

方程解的一般形式為：

代入方程的解，得到：

其中：λ為特征值；φ為特征值對應的特征向量；j為虛數；ω為系統固有頻率，單位Hz；t為時間，單位s，且滿足λ=ω2，即可獲得模態分析中的特征值。

裝飾件有限元模型中具有n自由度個數，則模態結構動力系統中具有n個特征值。若λi為系統的第i個特征值，則ωi=是結構的第i階固有頻率，那么φi是相應第i階特征向量，也就是所謂的模態振型，它是結構在第i階振型下的變形形態。

3.2 裝飾件模態結果分析

一般來說，模態分析是為了得出零件的多階固有頻率、振型和阻尼比等，以便在工程中防止激勵頻率與零件的固有頻率重合發生共振，造成零件的損壞、噪聲或不期望的振動等。通常，低階模態對零件的疲勞、強度失效、振動有重要作用，低頻振動往往引起零件的破壞性共振且不易被阻尼消耗。而高頻激勵雖然也會引起零件的共振，但其振幅小，且能量衰減迅速，增加阻尼可以顯著衰減能量，對于零件的振動噪聲影響遠遠小于低頻激勵。因此，研究裝飾件低階模態，人們能夠找到對其起關鍵作用的激勵頻率，以找到導致噪聲產生的真正原因。于是，針對該裝飾件模型，筆者使用Solidworks Simulation中的Direct sparse解算器來求解前六階模態，其結果如圖4所示。

從前六階模態中可以看出，前三階模態低于300Hz，后三階模態均高于發動機怠速750RPM。由于車輛在發動機中低速工況下都沒有出現異響，所以異響產生的原因并不是發動機振動激勵。其激勵應該來源于低于300Hz的某種頻率，由于只有在行駛中才會出現噪音，所以很有可能是路面激勵導致共振。路面激勵的主要能量主要分布在100Hz以下，引起的車身壁板的結構振動頻率主要在250Hz以下的低、中頻范圍內，根據有限元分析，只有第一階143.97Hz在這個范圍。由于車輛行駛在低速工況下才會發出異響，則可以判斷異響的來源就是路面激勵導致結構共振。在這種情況下，人們應該從裝飾件的設計出發，通過結構設計，增強裝飾件的結構剛度，提高其固有頻率，使其保持在250～750Hz，以避開路面激勵和發動機振動激勵。

圖4 前六階模態振型

4 結語

本文利用Solidworks對實物裝飾件進行建模，采用有限元法求出裝飾件的固有頻率，為解決裝飾件噪聲問題提供了依據，也為實際路況中降低或消除噪聲提供了基本方法。采用這種方法對車內裝飾件、后視鏡等零件進行分析，可以為這些零件的優化設計提供依據，從而提高駕駛員主觀噪聲感受和車輛的舒適度。

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