汽車儀表板有限元建模及摩擦異響研究

俞云云，李琦，崔世海，霍俊炎

（1.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300457；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300399）

前言

異響是汽車 NVH問題的重要組成部分，是指在外力作用下部件表面誘發(fā)出的聲音，主要分為尖叫異響（squeak）和敲擊異響（rattle），其性能的優(yōu)劣直接對汽車質(zhì)量產(chǎn)生影響。兩部件接觸表面因黏滑運(yùn)動產(chǎn)生摩擦導(dǎo)致的噪聲，稱為尖叫異響。部件因松動或過于柔軟產(chǎn)生碰撞導(dǎo)致的噪聲，稱為敲擊異響；異響的產(chǎn)生與部件之間相對位移有關(guān)。文獻(xiàn)[1]基于試驗和模態(tài)分析對背門異響產(chǎn)生原因進(jìn)行分析并優(yōu)化；文獻(xiàn)[2]講述儀表板異響的原因、位置的理論知識；文獻(xiàn)[3]在試驗的基礎(chǔ)上驗證儀表板的異響發(fā)生位置；文獻(xiàn)[4]介紹了基于試驗的汽車內(nèi)飾件產(chǎn)生異響的排查方法及設(shè)計優(yōu)化方案；文獻(xiàn)[5]介紹了汽車車門系統(tǒng)的異響控制研究；文獻(xiàn)[6]基于白車身介紹異響的產(chǎn)生原因及解決思路；文獻(xiàn)[7]通過聲學(xué)分析獲取乘用車車門異響產(chǎn)生的部位，并應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；文獻(xiàn)[8]以儀表板為依托介紹異響CAE仿真技術(shù)的機(jī)理和發(fā)展；現(xiàn)有的研究對汽車異響產(chǎn)生原因的分析及試驗提供了良好的指導(dǎo)和借鑒作用，但現(xiàn)有汽車異響的分析大多基于試驗；本文應(yīng)用 Hypermesh對儀表板進(jìn)行建模，基于Hyperworks的SNRD模塊對主副儀表板進(jìn)行異響分析，找出儀表板易發(fā)生尖叫異響的部位，并判斷出相對位移貢獻(xiàn)量最大的模態(tài)，為后期仿真和試驗優(yōu)化提供參考。

1 儀表板有限元建模

1.1 儀表板的網(wǎng)格劃分

基于某款汽車儀表板的CATIA模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將儀表板CATIA模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行前處理，首先進(jìn)行幾何清理，清理完成后劃分網(wǎng)格，儀表板主要采用二維殼單元劃分，應(yīng)用batchmesh進(jìn)行批處理，網(wǎng)格基本尺寸大小為3mm，儀表板總成共劃分單元1384354個，單元節(jié)點數(shù)1374685個，如圖1所示為儀表板的有限元模型，對儀表板模型的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，采用的網(wǎng)格質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，結(jié)果顯示網(wǎng)格質(zhì)量合格，滿足仿真和分析要求。

圖1 儀表板有限元模型

表1 網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1.2 儀表板的搭建

圖2 儀表板邊界條件

汽車的儀表板是一個裝配的整體，各個零部件之間需要以某種方式連接起來，儀表板中的連接基本分為螺栓連接、卡扣連接，螺栓連接采用RBE2剛性連接，卡扣采用RBE3和CBUSH單元結(jié)合的方式，卡扣的剛度由試驗測得；然后進(jìn)行定義材料、賦予屬性，儀表板多為塑料件（材料為 PC、ABS等工程塑料），部分材料為鋼，對于儀表板摩擦異響分析只需要設(shè)置楊氏模量E、密度RHO和泊松比NU；設(shè)置儀表板的邊界條件，如圖2所示，將儀表板與車身連接位置設(shè)置約束，約束儀表板六個方向的自由度。

2 儀表板摩擦異響分析

2.1 儀表板模型導(dǎo)入

本文主要基于ALTAIR公司的SNRD模塊研究某款汽車儀表板可能發(fā)生摩擦異響的部分，打開SNRD模塊之前先準(zhǔn)備模型、材料摩擦特性和 DTS文件，DTS文件包含模型中組件之間的制造公差，通常由 CAD設(shè)計人員提供。依據(jù)已有的DTS表格和材料摩擦特性表格的csv文件，打開SNRD模塊導(dǎo)入模型、材料摩擦特性文件和DTS文件，如圖3所示，材料摩擦特性如表2所示，材料的摩擦特性通過試驗得到。

圖3 導(dǎo)入模型

表2 材料摩擦特性

2.2 摩擦異響分析流程

導(dǎo)入模型后先創(chuàng)建E-Line線，本文中主要針對的邊界為儀表板骨架與組合儀表罩遮蔽蓋板（E-Line名記為A74）、副儀表板后部亮條與副儀表板左側(cè)蓋板（E-Line名記為A33）、副儀表板左側(cè)蓋板與副儀表板后蓋板（E-Line名記為A35）以及副儀表板左側(cè)包覆飾板與肘靠亮條（E-Line名記為A65）處的尖叫異響進(jìn)行分析，目標(biāo)邊界相連的兩個部件分別設(shè)置為Master（主面）和Slave（從面）；Eline由Master和Slave上的若干對連接點組成，每對點之間用CBUSH單元連接，是在評估線的每個點處創(chuàng)建局部坐標(biāo)系以及其正確的方向，確保界面處相對位移的一致測量。通過使用間隙方向?qū)崿F(xiàn)本地系統(tǒng)的正確定向；接著進(jìn)行材料映射，材料映射是為了將粘滑試驗結(jié)果分配給E-Line，然后將其用于E-Line的后處理以進(jìn)行異響評估。計算工況設(shè)置為模態(tài)瞬態(tài)分析，模態(tài)瞬態(tài)分析的頻率范圍為0-80Hz；加載點的設(shè)置根據(jù)實際工況創(chuàng)建多點多向激勵，如圖4所示；輸入在大鵝卵石路公況下的路譜激勵信號，與相應(yīng)激勵點 X、Y、Z方向一一對應(yīng)，創(chuàng)建并組合瞬態(tài)負(fù)載；接著為模型中存在的動態(tài)載荷定義瞬態(tài)時間步長，保證時間步數(shù)乘以步長小于路譜采集的時間，輸出因子選擇 1，表示每步均有結(jié)果輸出；輸入模態(tài)阻尼屬性，設(shè)置輸出類型和節(jié)點/節(jié)點集以獲取節(jié)點負(fù)載輸出；最后選擇要用于分析的模擬參數(shù)，直接選用Hypermesh自帶的求解器optistuct進(jìn)行求解。

圖4 路譜激勵

3 結(jié)果分析

將計算結(jié)果文件導(dǎo)入 Hyperview中查看計算結(jié)果并分析，采用Max Principal P2P方法進(jìn)行分析，即計算每組連接點在XY面上的相對移動軌跡，在相對移動集中的方向建立主軸，相對位移集中的一段即為Max Principal P2P，主軸垂直方向上即為Min Principal P2P，即統(tǒng)計圖中綠色線的最大值。計算和統(tǒng)計結(jié)果分別如圖5和表3所示。

圖5 分析結(jié)果

表3 結(jié)果統(tǒng)計

從材料對摩擦試驗中可以得到摩擦特性參數(shù)。在異響分析中，兩邊界的相對位移值在最大值和最小值之間，太小的相對位移對沒有實際意義，因此分析時只取較大的一部分相對位移值，一般取10%—30%，本文取30%的最大值。圖5中最后一張圖對應(yīng)著的三種顏色，藍(lán)色和綠色代表沒有尖叫異響危險，即相對位移值小于摩擦特性參數(shù)；黃色代表有輕微的尖叫異響危險，即相對位移值在摩擦特性參數(shù)間；紅色代表有嚴(yán)重的尖叫異響危險，即相對位移值大于摩擦特性參數(shù)。由表3可以看出A74、A33、A65處有輕微的尖叫異響危險，即儀表板骨架與組合儀表罩遮蔽蓋板、副儀表板后部亮條與副儀表板左側(cè)蓋板和副儀表板左側(cè)包覆飾板與肘靠亮條之間存在摩擦異響的風(fēng)險。針對這三處找出模態(tài)貢獻(xiàn)量最大的模態(tài)，如圖6所示。

圖6 模態(tài)貢獻(xiàn)量

從圖6中可以看出A74、A33、A65處的相對位移貢獻(xiàn)量最大的模態(tài)分別為13.5Hz、24.0 Hz、30.8 Hz，可以通過查看在該模態(tài)下的儀表板振型，并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

對某款汽車主副儀表板進(jìn)行建模，并基于SNRD模塊對儀表板進(jìn)行尖叫異響分析，判斷出易發(fā)生尖叫異響的部位并找出相對位移貢獻(xiàn)量最大的模態(tài)，為試驗和優(yōu)化提供參考。