某皮卡儀表板剛度與模態(tài)性能分析

王協(xié)庭

摘 要：為了校核某皮卡儀表板的性能，首先采用有限元方法建立其離散化模型，然后對其進(jìn)行剛度性能分析，分析結(jié)果表明其最大變形均小于目標(biāo)值，其最大應(yīng)力也低于材料屈服，滿足剛度特性要求。最后對其進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果表明其前三階固有頻率處于外界激勵頻率范圍之外，滿足振動特性要求。

關(guān)鍵詞：儀表板;有限元;剛度;模態(tài)

中圖分類號：U463.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）14-82-03

Abstract： Aiming at checking the performance of a pickup instrument panel. Firstly， the discretization model was established by adopting finite element method. Secondly， it was stiffness performance analyzed， the analysised result showed that its maximum deformation was less than the target value， and its maximum stress was also lower than the yield of the material， so it could meet stiffness characteristic requirements. Lastly， it was modal performance analyzed， the analysised result showed that its first three natural frequencies were outside the range of external excitation frequencies， so it could meet vibration characteristic requirements.

Keywords： Instrument panel; Finite element; Stiffness; Modal

CLC NO.： U463.7 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-82-03

1 引言

儀表板是汽車內(nèi)飾系統(tǒng)中十分重要而又獨立的部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，并且許多電子器件通過卡扣安裝在儀表板上，其集功能性、美觀性和舒適性與一體，因此儀表板的各項靜動態(tài)性能直接影響整車的舒適性和安全性。若儀表板的剛度性能不足，容易引起其強(qiáng)度失效，從而減小其使用壽命。同時當(dāng)車輛行駛在路面時，將受到不同的外界激勵，主要包括路面激勵和發(fā)動機(jī)激勵等，當(dāng)儀表板的固有頻率與外界激勵頻率接近時，則發(fā)生共振，從而產(chǎn)生不同程度的噪聲，降低汽車的舒適性，甚至引起疲勞損壞。因此有必要對新開發(fā)的儀表板進(jìn)行性能校核，提取識別其風(fēng)險。為了獲取某皮卡新型儀表板的性能，首先采用有限元方法建立其離散化模型，再對其剛度性能分析，獲取其各個位置的變形量，最后對其進(jìn)行模態(tài)性能分析，獲取其前三階頻率。

2 有限元分析理論

有限元分析的思想是將系統(tǒng)連續(xù)的區(qū)域離散劃分為有限個集合體，系統(tǒng)在外界載荷的作用下將會產(chǎn)生變形，并在其內(nèi)部則會產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，其位移可表示為沿直角坐標(biāo)系三個方向的位移分量u、v、w，其矩陣形式為[1，2]：

3 剛度性能分析

3.1 建立有限元模型

該皮卡的新型儀表板主要由駕駛員側(cè)下飾板，中部面板、上部面板，左部面板，右部面板，手套箱等組成，采用三維軟件建立該儀表板的幾何模型，并將其導(dǎo)入有限元前處理軟件中。該儀表板為注塑成型件，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜并且厚度不均勻。為保證模型的精確度并節(jié)省計算時間，首先對儀表板進(jìn)行簡化處理，刪除對其剛度性能和模態(tài)性能影響較小的件，抽取其各個部件的中面，清理較小的圓孔、圓角和臺階，然后采用尺寸為5mm殼單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以四邊形單元為主，復(fù)雜和過度區(qū)域輔以三角形單元，再采用剛性單元模擬其螺釘、卡扣等連接。該儀表板的材料為PP+EPDM，其彈性模量為3194MPa，泊松比為0.33，密度為1.04E+3kg/ m3，屈服強(qiáng)度為18MPa，根據(jù)各個區(qū)域的厚度賦予其材料屬性，以此該儀表板被離散化成212697個單元，212938個節(jié)點，如圖1所示。

3.2 剛度分析結(jié)果

根據(jù)工程經(jīng)驗，儀表板主要分成四塊高頻接觸區(qū)域，如圖1中的P1～P4。為了獲取該儀表板的剛度性能，約束其與車身和管梁連接處全部自由度，建立直徑為10mm的剛性圓盤，在P1～P4位置分別施加垂直載荷22N，以此對其進(jìn)行靜態(tài)分析。

如圖2所示，為該儀表板P1位置的位移云圖。由圖2可知，該儀表板的最大位移為1.34mm，其變形量滿足實際工程要求值（最大為3.0mm）的要求，并且該處的最大應(yīng)力為5.9MPa，低于材料屈服，能夠滿足強(qiáng)度設(shè)計要求。

如圖3所示，為該儀表板P2位置的位移云圖。由圖3可知，該儀表板的最大位移為0.91mm，其變形量滿足實際工程要求值（最大為2.0mm）的要求。儀表板的最大應(yīng)力為6.6MPa，位于手套箱的中間薄弱位置，但是仍然小于其材料極限，符合設(shè)計要求。

如圖4所示，為該儀表板P3位置的位移云圖。由圖4可知，該儀表板的最大位移為0.12mm，其變形量滿足實際工程要求值（最大為1.0mm）的要求，并且該處的最大應(yīng)力為4.2MPa，也小于材料許用值，也可以滿足強(qiáng)度性能要求。

如圖5所示，為該儀表板P4位置的位移云圖。由圖5可知，該儀表板的最大位移為1.09mm，其變形量滿足實際工程要求值（最大為2.0mm）的要求，并且該處的最大應(yīng)力為5.1MPa，也小于材料屈服，符合強(qiáng)度特性要求。

因此，該儀表板各個高頻接觸區(qū)域的剛度性能均能夠滿足設(shè)計要求，并且其最大應(yīng)力值均小于材料屈服，也符合強(qiáng)度性能要求。

4 模態(tài)性能分析

4.1 模態(tài)分析理論

4.2 模態(tài)分析結(jié)果

由于低價頻率對系統(tǒng)的模態(tài)性能影響比較大，高階頻率對其影響較小，因此將該儀表板的有限元模型導(dǎo)入至線性求解器中，同樣約束其與車身和管梁連接處全部自由度，設(shè)置相應(yīng)的卡片和輸出，提取其頻率值，以此得到其前三階模態(tài)頻率值分別為40.5Hz、46.1Hz和54.5Hz。

如圖6所示，為該儀表板第一階模態(tài)陣型圖。由圖6可知，其表征為手套箱呼吸陣型，其最大變形為16.6mm。

如圖7所示，為該儀表板第二階模態(tài)陣型圖。由圖7可知，其表征為上部面板呼吸陣型，其最大變形為17.1mm。

如圖8所示，為該儀表板第三階模態(tài)陣型圖。由圖8可知，其表征為駕駛員側(cè)下飾板呼吸陣型，其最大變形為38.2mm。

該皮卡發(fā)動機(jī)的怠速為900r/min，由此得到其激勵頻率為30Hz，并且路面激勵的頻率一般為20Hz以下[5，6]，因此該儀表板的固有頻率處于外界激勵頻率范圍之外，不會引起共振，其模態(tài)性能符合設(shè)計要求。

5 結(jié)論

基于有限元方法建立儀表板離散化模型，在其高頻接觸區(qū)域施加垂直載荷，對其進(jìn)行剛度性能分析，其最大位移分別為1.34mm，能夠滿足剛度性能要求，其最大應(yīng)力為6.6MPa，滿足強(qiáng)度特性要求。再對其進(jìn)行模態(tài)性能分析，得到其前三階頻率分別為40.5Hz、46.1Hz和54.5Hz，處于外界激勵頻率范圍之外，符合模態(tài)特性要求。通過該分析方法最大限度地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，也降低了試驗成本，提高了設(shè)計效率。

參考文獻(xiàn)

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