正碰傳感器安裝點聲慣量優化

□ 李春芳 □ 唐德虎 □ 閆 霄 □ 郭清超 □ 許佳鑫

比亞迪汽車有限公司 西安 710061

1 研究背景

汽車碰撞傳感器安裝點性能不足會導致安全氣囊點火出現不可預測的風險,嚴重時會影響乘員生命安全。李書陽等[1]應用Radioss軟件,對某車型側碰傳感器安裝點的聲慣量性能進行了評估。周政權等[2]應用Nastran軟件,解決了某車型正碰傳感器安裝位置共振的問題。

筆者應用頻率響應仿真分析方法,參考對標車型結構,結合性能、焊點數量、輕量化等確定某車型傳感器安裝位置的最優方案,解決該車型正碰傳感器安裝位置聲慣量不足的問題[3-11]。

2 評價標準

動剛度、加速度導納、聲慣量是汽車正碰、側碰、后碰傳感器和電子控制單元安裝位置剛度、振動性能分析的主要評價標準。

動剛度計算式為:

K=F(2πf)2/a

(1)

式中:K為動剛度;F為單位激勵力;a為響應加速度;f為頻率。

碰撞傳感器安裝點位置動剛度性能的評價標準見表1。

表1 動剛度評價標準

加速度導納計算式為:

(2)

式中:aIPI為加速度導納;Z為測點動剛度;ω為測點原點響應頻率。

聲慣量計算式為:

(3)

式中:J為聲慣量;Ax為X方向響應加速度;Ay為Y方向響應加速度;Az為Z方向響應加速度。

聲慣量評價標準曲線如圖1所示,聲慣量曲線落在對應區域,表示結果合格或不合格。

圖1 聲慣量評價標準曲線

3 有限元分析

應用Hypermesh軟件進行前處理的某車型白車身有限元模型如圖2所示。

圖2 白車身有限元模型

白車身有限元模型基本網格尺寸為6 mm,包括白車身本體、管梁、電池包托盤、前后風擋玻璃、三角窗玻璃、全景天窗。

邊界條件如下:在0～1 000 Hz頻率段內,在正碰傳感器的安裝點施加X、Y、Z方向的動態單位激勵力。分析計算采用Optistruct求解器,Optistruct求解器具有完善的頻率響應分析功能。在分析時,采用直接頻率響應法進行求解,輸出激勵點的加速度響應曲線,通過HyperGraph后處理軟件得到激勵點的聲慣量曲線。

根據布置需要,正碰傳感器安裝點位于前防撞梁安裝板上,安裝點結構如圖3所示。

圖3 正碰傳感器安裝點結構

原方案正碰傳感器安裝點聲慣量仿真結果如圖4所示。根據評價標準曲線,左前正面碰撞傳感器安裝點X向聲慣量不合格,右前正面碰撞傳感器安裝點X向聲慣量也不合格。

圖4 原方案正碰傳感器安裝點聲慣量仿真結果

4 頻率響應分析

由正碰傳感器安裝點聲慣量仿真結果可知,左安裝點和右安裝點在340～470 Hz頻率段內X方向聲慣量超出目標值,不滿足評價標準。

為了縮短仿真計算時間,提高效率,進行正碰傳感器左安裝點、右安裝點在340～470 Hz頻率段內X方向單位激勵下的頻率響應分析。

正碰傳感器左安裝點X方向聲慣量峰值頻率為382 Hz,右安裝點X方向聲慣量峰值頻率為387 Hz,考察此頻率下的單元應變能,頻率響應分析結果如圖5所示。

圖5 正碰傳感器安裝點頻率響應分析結果

根據頻率響應分析,發現正碰傳感器左、右安裝點X方向聲慣量不足的原因主要有兩點。

(1) 該車型前防撞梁安裝板材料為340/590DP、厚度為1.6 mm,加強筋形狀設計不合理,在某些頻率下,加強筋沒有起到加強作用。

(2) 正碰傳感器安裝在前防撞梁安裝板的單層鋼板上,與前縱梁前段之間的距離偏大,懸臂過長,導致安裝點剛度不足。

5 結構優化

針對正碰傳感器左、右安裝點X方向聲慣量不足的原因,結合車型特點,提出三種結構優化方案。

5.1 優化方案一

在考慮正碰傳感器布置要求的前提下,減小安裝點與前縱梁前段之間的距離。將前防撞梁安裝板材料340/590DP、厚度1.6 mm優化為材料QSTE500TM、厚度2.5 mm,并增加加強筋。將前防撞梁后連接板材料340/590DP、厚度1.8 mm優化為材料QSTE500TM、厚度2.5 mm。將前端模塊定位板材料340/590DP、厚度1.8 mm優化為材料340/590DP、厚度2.0 mm。優化方案一如圖6所示。

圖6 優化方案一

5.2 優化方案二

在考慮正碰傳感器布置要求的前提下,減小安裝點與前縱梁前段之間的距離。將前防撞梁安裝板材料340/590DP、厚度1.6 mm優化為材料340/590DP、厚度2.0 mm。前防撞梁安裝加強板,材料為340/590DP,厚度為1.6 mm,通過兩個三層焊點與前縱梁前段、前封板搭接,通過一個兩層焊點與前縱梁前段搭接,通過六個兩層焊點與前防撞梁安裝板搭接。優化方案二如圖7所示。

圖7 優化方案二

5.3 優化方案三

在考慮正碰傳感器布置要求的前提下,減小安裝點與前縱梁前段之間的距離。將前防撞梁安裝板材料340/590DP、厚度1.6 mm優化為材料340/590DP、厚度2.0 mm。前防撞梁安裝加強板,材料為340/590DP,厚度為2.0 mm,通過兩個三層焊點與前縱梁前段、前封板搭接,通過兩個兩層焊點與前縱梁前段搭接,通過五個兩層焊點與前防撞梁安裝板搭接。將前端模塊定位板材料340/590DP、厚度1.8 mm優化為材料340/590DP、厚度1.6 mm。優化方案三如圖8所示。

圖8 優化方案三

6 仿真驗證

分別對優化方案一、優化方案二、優化方案三開展聲慣量仿真分析,仿真分析結果如下。

6.1 優化方案一

正碰傳感器安裝點優化方案一聲慣量仿真結果如圖9所示,根據評價標準曲線,正碰傳感器左、右安裝點聲慣量合格。

圖9 優化方案一聲慣量仿真結果

6.2 優化方案二

正碰傳感器安裝點優化方案二聲慣量仿真結果如圖10所示,根據評價標準曲線,正碰傳感器左安裝點聲慣量合格,正碰傳感器右安裝點聲慣量不合格。

圖10 優化方案二聲慣量仿真結果

6.3 優化方案三

正碰傳感器安裝點優化方案三聲慣量仿真結果如圖11所示,根據評價標準曲線,正碰傳感器左、右安裝點聲慣量合格。

圖11 優化方案三聲慣量仿真結果

6.4 方案對比

對原方案、優化方案一、優化方案二、優化方案三分別從材料、厚度和搭接尺寸、質量、性能等方面進行對比。

相比原方案,方案一性能合格,焊點數量未增加,質量增大1.091 kg;方案二性能不合格,焊點數量增加九個,質量增大0.423 kg;方案三性能合格,焊點數量增加九個,質量增大0.484 kg。

從性能、焊點數量、輕量化等方面綜合評估,推薦優化方案三。方案對比見表2。

表2 方案對比

7 試驗驗證

正碰傳感器安裝點聲慣量試驗如圖12所示。將共振測試系統的三軸加速度傳感器布置在正碰傳感器的硬質外殼上方位置,盡可能使三軸加速度傳感器三個坐標方向與車輛坐標系的三個方向一致。

圖12 正碰傳感器安裝點聲慣量試驗

用小錘子沿X方向敲擊,由計算機端采集敲擊數據。將采集到的加速度信號經過處理,得到測試結果。

優化方案三正碰傳感器的敲擊試驗結果如圖13所示。

圖13 優化方案三敲擊試驗結果

虛線為合格線,試驗結果表明正碰傳感器聲慣量滿足目標要求,說明解決了正碰傳感器安裝點聲慣量不足的問題。

8 結束語

筆者應用頻率響應仿真方法,進行某車型正碰傳感器左、右安裝點X方向聲慣量不合格的主要原因分析。根據原因分析,相應提出三種結構優化方案。應用Optistruct求解器對不同的優化方案進行聲慣量曲線仿真對比,從性能、焊點數量、輕量化等方面綜合評估,確定采用優化方案三。結合正碰傳感器安裝點聲慣量試驗,驗證優化方案的可靠性。

為了縮短仿真計算時間,提高效率,可以在風險頻率段內某個方向單位激勵下進行頻率響應仿真分析,作為對傳感器安裝點聲慣量不合格原因進行分析的一種方法。

可以依據原因分析、車型對標等方法進行傳感器安裝點結構優化設計。

從零部件材料厚度、搭接關系、工藝可行性、性能、焊點數量、輕量化等多維度綜合評估正碰傳感器安裝點結構優化方案,尋找最優解決方案。筆者提出了一種正碰傳感器安裝點聲慣量仿真優化方法,為后續車型相關性能評估及優化提供了參考。