1. 引言
仪表板是汽车上最主要的内饰件,集功能性,舒适性,美观性,安全性于一体。其主要结构由塑料壳体、电路控制开关、各种仪表、影音娱乐系统、副安全气囊、手套箱以及金属支撑结构组成。目前,在主流乘用车型的大部分中高端配置中,都会配置有显示大屏(如图1)。一般情况下,由于显示大屏的连接支撑主要在下部,而上端一般是自由的,因此显示大屏的重心一般较低,在这种情况下屏幕在行驶过程中容易发生晃动,引起相关部件的疲劳,从而减小其使用寿命。除此之外,高频振动也可能产生噪声问题,影响乘员的舒适度。因此,需要在开发初期就考虑到此类问题,通过必要的手段来测定并解决。
在传统开发流程中,需要进行实验来测定仪表板总成的模态。但由于实验一般在开发阶段的后期,模具已经开好,产品图纸也基本定型,此时如果出现问题,改动空间会很小,同时成本很高,还会延长开发周期。李国城等 [1] 使用Nastran作为分析工具对仪表板总成进行模态分析,发现了一阶固有频率与发动机怠速频率相近,从而优化了结构,减小了振动;刘俊红等 [2] 使用ABAQUS作为分析工具对仪表板总成进行模态分析,提取了各阶模态的结果,并根据结果优化了结构的振动特性。本文采用前处理软件HyperMesh对仪表板总成进行建模,并使用求解器OptiStruct对其进行模态分析求解,最后使用后处理软件HyperView进行后处理,在开发前期发现问题并解决,大大地缩短了开发周期,并节约开发成本。
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Figure 1. Instrument Panel with bigger screen
图1. 带有显示大屏的仪表板
2. 仪表板总成有限元模型的建立
2.1. 网格划分
由于仪表板总成多为注塑成型,其几何形状复杂且厚度不一,且各面板之间多为卡扣连接,在建立有限元模型时其几何处理和网格划分会占据大量时间。建立有限元模型时可根据实际几何状况,将网格尺寸做适当调整。
内饰件中有很多自身刚度对系统影响不大的电器件,例如保险丝盒、空调控制器等,可以简化成质量点单元,忽略其刚度。必须将质量点放在其质心的位置上,并使用rbe2单元和其周边零件连接。特别的,线束也可以简化成质量点。
2.2. 连接关系
仪表板总成的连接关系主要有四种,分别是热熔焊连接、卡扣连接、软连接(防止穿透)和铆钉(螺栓)连接。
l 热熔焊连接:热熔焊连接一般存在于塑料骨架和塑料零件之间的连接。热熔焊的处理方法很简单,只要将连接的两个件在合适的位置共节点即可。
l 卡扣连接:卡扣连接是内饰模态分析中最重要的一种连接方式,因为其对局部刚度影响大,且卡扣连接是内饰部件之间一种主要的连接方式(如图2)。在OptiStruct中,一般情况下,我们使用CBUSH单元(一种弹簧单元)来模拟卡扣配合,其优点是可以分别模拟各方向的刚度。
l 软连接:结构中相邻的零件之间没有连接,或者由泡棉连接的部分,依靠接触关系来相互约束。软连接一般也使用CBUSH单元进行模拟,在可能穿透的位置设置相对较大的刚度系数(如图3)。
l 螺栓连接与铆钉连接:风道之间,风道与骨架之间多用铆接定位(如图4),使用rbe2单元进行连接即可。
2.3. 约束关系
根据仪表板总成在整车上的安装情况进行系统约束,螺栓连接处设置为全约束,安装挂点处需要释放非接触方向的自由度。
2.4. 计算参数
使用Lanczos法提取前五阶模态,该方法求解精度高,计算速度相比子空间法来说更快。在卡片中设置输出各阶模态的相对位移云图及应变能密度云图。
该模型共有节点341947个,单元342766个,单元类型以QUADS为主,模型质量50.36 kg。
以上参数设定完成后,使用OptiStruct求解器进行模态分析计算 [3] 。
3. 模态分析基本理论
模态分析研究机械结构的固有振动特性,每个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。对于仪表板模型,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。其动力学方程可表示为:
式中,[M]为结构的总质量矩阵,[K]为结构的总刚度矩阵。设其解为:
特征方程:
该方程可以通过数值计算方法进行求解,解得的w值就是各阶模态的固有频率值,特征向量
就是各阶模态的振型 [4] 。
4. 模态分析计算结果
使用Hyperview软件 [5] 对分析结果进行后处理,一阶整体模态结果如图5所示,其对应的固有频率值为33.9 Hz,不满足客户不小于36 Hz的要求,需要对不满足要求的区域进行设计优化。
从相对位移云图(如图5)容易看出,在一阶整体模态下,主要的振动区域在显示大屏处。查看显示大屏区域的应变能密度分布图(如图6),可以发现大屏支架的应变能密度较大,且较为集中。结合固有频率的公式
可知,如需提高此区域的固有频率,有提升刚度和降低质量两种角度来实现:
1) 降低质量可以通过减薄壁厚来实现,但这同时也降低了刚度,对固有频率的影响不大。因此在本案中,质量不是影响固有频率的主要因素。
2) 提升刚度可以通过在局部增加筋,或增加壁厚来实现。塑料件质量很小,局部操作在质量上对结构的影响可以忽略不计,所以此方法对局部模态的改善效果明显。
5. 优化分析方案
结合模态分析结果,提出了如下的优化分析方案:
方案一:将显示屏支架上部进行加强(图中灰色部分),与显示屏支架一体注塑成型,增加显示屏支架区域的刚度(如图7)。
方案二:在整体一阶应变能密度图中可以看出,显示屏支架所在的仪表板骨架区域刚度不足。因此考虑在刚度不足区域布置加强筋,筋的厚度为2.5 mm,以提高局部刚度(图中蓝色部分,如图8)。
综合上述两种改进方案,再次进行模态分析,仪表板总成的一阶整体模态提升到36.5 Hz,大于不小于36 Hz的固有频率的目标,符合要求。从应变能密度的角度看(如图9),最大应变能密度也从优化前的106 J/mm3下降到了80.4 J/mm3,有效地提高了区域的刚度,从而提升了一阶整体模态。
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Figure 5. The 1st overall mode of vibration
图5. 整体一阶振型图
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Figure 6. The 1st overall mode of strain energy density
图6. 整体一阶应变能密度图
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Figure 9. The 1st overall mode of strain energy density after optimization
图9. 优化后的整体一阶应变能密度图
6. 结论
本文使用HyperMesh软件进行汽车仪表板总成的建模,并对其进行了模态分析。通过研究分析结果的应变能密度云图及相对位移云图,对仪表板大屏支架附近结构进行了优化,经过重新计算验证了优化方案的可行性。本算例为配有大屏配置的仪表板模态结构设计提供了参考。