SAE-C2009C167基于ABAQUS 的某轿车仪表板模态分析

基于ABAQUS的某轿车仪表板模态分析
刘俊红　陶其铭　傅薇
安徽江淮汽车股份有限公司技术中心信息管理部
【摘要】　本文采用HyperMesh软件建立了某型轿车仪表板有限元模型,并利用ABAQUS对该有限元模型进行了工作模态分析,得到了仪表板的各阶模态频率和振型㊂对模态分析结果与预设目标进行了对比,进一步提出改善模态特性的改进设计方案,通过比较分析,为设计部门提供一种高效可行的改进方案㊂
【关键词】　仪表板　ABAQUS　模态分析　有限元
Modal Analysis of Car’s Instrument Panel Based on ABAQUS
Liu Junhong,TAO Qiming,Fu Wei
Technological Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.
Abstract:In this paper,the FE model of a car’s Instrument Panel is created with HyperMesh software.Through the working modal analysis of this FE model with ABAQUS,different order modal frequency and modal characteristics of the Instrument Panel are compu⁃ted.The modal analysis results are compared with the target value.Then the improved designs are used to improve modal characteristics for Instrument Panel and the feasible case is provided to designers.
Key words:Instrument panel　ABAQUS　modal analysis　finite element
引 言
模态分析是结构振动特性分析的核心,主要应用于复杂结构的多自由度系统,也是研究结构动力学中一种极为重要的分析方法㊂仪表板是汽车内饰件中的最重要的组成部分,是各种仪表,信号以及操作开关的集合处,是汽车操纵控制与实现的集中部位,其作为汽车结构中十分重要而又相对独立的一个部件,其动态特性直接影响到整车的性能㊂汽车在行驶过程中的激励一般包括路面激励㊁车轮不平衡激励㊁发动机激励和传动轴激励等㊂如果仪表板的固有频率与这些外界激励频率相同或接近,就会引起仪表板共振,带来噪声,极大地降低了车辆的乘坐舒适性,甚至造成板件的抖动开裂,零部件的疲劳损坏等㊂所以,有必要对设计车型的仪表板进行模态分析来识别其动态特性,并与目标值相对照来判断其结构的优劣㊂
本文采用HyperMesh软件完成仪表板总成网格划分和零件连接,采用ABAQUS作为求解器进行分析计算,研究了仪表板在工作状态下的频率及振型情况,发现其模态特性不能满足目标要求,进一步提出结构改进方案,确保了其达到结构设计的要求㊂
1　模态分析理论
应用有限元分析软件对结构进行模态分析应包含以下步骤:
1)应用达朗贝尔(D’Alembert)原理,建立结构的动力学方程:
[M]{δ}+[C]{δ㊃}+[K]{δ}={F p}(1)式中,[M]为结构的总质量矩阵;[K]为结构的总刚度矩阵;[C]为结构的阻尼矩阵;{δ}㊁{δ
㊃}和{δ}分别为节点位
移㊁速度和加速度列阵;{F p}为节点等效载荷列阵㊂
2)求结构的固有频率和主振型㊂
计算结构的固有频率和主振型,是动力学分析的基本内容㊂在模态分析中,由于系统没有外力作用,且结构阻尼对结构固有频率和振型影响很小,因此在求结构的固有频率和振型时,可不考虑阻尼的影响,即在结构的动力学方程中,令阻尼[C]=0,并考虑外力项{F p}=0,便得到无阻尼自由振动方程:
[M]{δ}+[K]{δ}=0(2) 弹性自由体振动的振型总可以分解为一系列简谐振动的叠加,为决定自由振动的固有频率和相应的振型,其解的形式可设为:
{δ}={δ0}sin(ωx+φ)(3)将式(3)代入式(2)得到以下代数的齐次方程组:
([K]-ω2[M]){δ0}=0(4)式(4)存在非零解的条件为矩阵行列式为零,即:
([K]-ω2[M])=0(5) 结构的刚度矩阵[K]和质量矩阵[M]都是n阶方阵,其中n是节点自由度的数目,所以式(5)是关于ω2的n次实系数方程㊂可以从中解出n个实根ω2i(i=1,2,3, ,n),即特征根,把任一ω2i代回方程组(4),可解出与其相对应的矢量{δi0}(i=1,2,3, ,n)即特征矢量㊂而ω1,ω2, ,ωn分为结构的第一阶,第二阶, 第n阶固有频率,与之相对应的{δ10},{δ20}, ,{δn0}分别是结构的第一,第二, 第n阶固有振型㊂
2　几何模型和有限元模型
2.1　几何模型
仪表板的几何模型由CATIA 建立,仪表板总成由图1
图1　仪表板总成零件爆炸图
所示的零件以及一些可以简化成质量点的零部件构成,将要进行网格划分的零件爆炸图及部件名称㊁材料列表分别如图
1和表1所示㊂
2.2　有限元模型
抽取所有零件的中面,根据仪表板的几何模型划分网格,最终的有限元模型如图2所示㊂
1)在分析模型中只对图1所示的零件进行了网格划分,
其他零部件简化成零维质量单元㊂
2)零件在HyperMesh 中采用2D SHELL 单元进行网格
划分,单元类型为Quad4和Tria3两种类型的组合,网格尺寸为10mm㊂整个仪表板模型被离散为79657个单元,83251个节点,其中三角形单元占单元总数的4.7%㊂
3)根据明细表输入厚度㊁材料参数,分析中假设所有材料属性为线弹性材料特性,见表2㊂
4)利用刚性单元模拟CAD 模型中的连接方式实现零件
连接㊂
5)主要关心仪表板的工作模态,根据仪表板的实际工
作状态,分别在与车身和地板连接的位置施加约束,如图3所示㊂
表1　仪表板部件名称及材料列表
编号
名 称材 料1仪表板骨架总成SPCC 2空调风管总成PE 3除霜左风道PP 4除霜右风道PP 5左除雾风管总成PE 6右除雾风管总成PE 7除霜盖板总成ABS 8仪表板上体PP+EPDM+TD20
9
组合仪表螺钉罩盖
PP+TALC
编号名 称材 料10副驾驶安全气囊盖板
TELCAR 1000⁃92
11中部下面板ABS 12中部上面板总成ABS 13杂物箱总成
PP+EPDM+TD20
14驾驶员侧下饰板本体总成PP 15驾驶员侧储物盒总成PP 16仪表板左端面盖板PP 17仪表板右端面盖板PP 18
副驾驶安全气囊总成
STEEL
图2　仪表板有限元模型
表2　仪表板材料属性列表
材
料属 性数 值SPCC /STEEL
弹性模量/MPa
210000泊松比0.3密度/(t /mm 3)7.8×10-9
PP⁃EPDM⁃T20弹性模量/MPa
1906泊松比0.415密度/(t /mm 3)1.05×10-9
ABS 弹性模量/MPa
2240泊松比0.392密度/(t /mm 3)
1.05×10-9
材 料属 性数 值PE
弹性模量/MPa
1050泊松比0.38密度/(t /mm 3)9.2×10-10
PP
弹性模量/MPa
1300泊松比0.39密度/(t /mm 3)9.1×10-10
PP+TALC
弹性模量/MPa
泊松比密度/(t /mm 3)
13000.39
9.1×10-10
图3　仪表板工作模态约束示意图
3　模态结果及分析
3.1　现有方案
将前处理完毕的仪表板有限元模型提交给ABAQUS 进行计算,得到各阶模态特性,分析结果见表3㊂
表3　原有方案仪表板前4阶模态结果
阶数频率/Hz 总体/局部描 述
1
21.25
局部
　杂物箱翻动
225.69局部　仪表板下盖板上下振动328.17局部　杂物箱扭动
433.13总体
　仪表板总成整体以前端销接处为支点垂向一阶弯曲振
动以及气囊支架局部翻动 仪表板模态分析的前4阶振型如图4所示㊂
仪表板低阶弹性模态不仅是控制仪表板常规振动的关键
指标,而且反映了仪表板的整体刚度性能㊂根据以上模态分析结果,从振型上看,在前4阶模态中即包含了局部振型,
如杂物箱翻动㊁扭动,仪表板下盖板上下振动以及气囊支架局部翻动等,也出现了整体振型,如仪表板总成整体以前端销接处为支点垂向一阶弯曲振动㊂在评价仪表板模态性能时,主要考察其整体模态振型㊂从频率值上看,该仪表板模态值较低,其一阶整体弯曲模态频率为33.1Hz㊂仪表板的一阶固有频率应该避开路面对汽车的激励㊁车轮的不平衡激振㊁发动机的激振以及传动轴引起的激励,因此从有限元分析结果看来,该仪表板的模态性能不符合要求㊂
3.2　改进方案
针对原有方案的计算结果,对仪表板薄弱处的结构进行
改进,修改方案如图5所示㊂
图4　
原有方案模态振型
图5　改进方案
结构修改后的模态计算结果见表4和图6㊂
通过结构优化,仪表板的各阶模态频率值均有不同程度增加,尤其是整体垂向一阶弯曲,频率值从33.13Hz 增加到
39.00Hz,满足了设计要求㊂
利用有限元分析方法,对仪表板结构设计中的薄弱环节
进行了改进优化,得到了能够满足设计要求的结构方案,大大节省了开发时间,保证了产品质量㊂
表4　改进方案仪表板前4阶模态结果
阶数频率/Hz 总体/局部描 述
1
31.17
局部杂物箱翻动
237.06局部驾驶员侧下饰板本体振动337.08
局部
安装保险箱支架振动
阶数频率/Hz 总体/局部描 述
4
39.00
总体
　仪表板总成整体以前端销接处为支
点垂向一阶弯曲振动以及气囊支架局部翻动㊁下饰板本体的振动
图6　现有方案模态振型
4　结论
1)利用有限元分析方法,可以节省大量的开发试验费用㊁缩短开发周期,并且可以获得很高的分析精度㊂
2)本文以某轿车仪表板为实例,采用有限元分析的方法,基于ABAQUS软件对其模态进行了计算,针对分析结果,对结构中较薄弱的位置进行了改进,确保了仪表板能够满足设计要求的动力性能㊂
3)此外,在进行有限元分析的同时还可以做相关的模态试验,将仿真分析与试验相结合,以验证有限元分析结果的准确性,并以此为基础,进一步提出设计上的改进㊂
参考文献
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