汽車儀表板橫梁系統(tǒng)研究范文

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《機械雜志》2014年第六期

1橫梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

文中研究對象車型為某中型載貨汽車，發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速為800～3000r/min，動力系統(tǒng)二階激勵頻率為26.7～100Hz。儀表板橫梁總成的焊接骨架如圖1所示，采用傳統(tǒng)碳鋼材料，主要由橫梁管、左右A柱安裝支架、上下前圍安裝支架、轉(zhuǎn)向管柱支架和附接在橫梁管上的一系列輔助支撐元件焊接組成。橫梁管由型鋼彎曲制成，整體形狀呈“幾”字形結(jié)構(gòu)，中間凸出部位朝向前下方。整個橫梁總成焊接骨架重量為12.5kg，通過螺栓安裝在車身A柱和前圍壁板上。橫梁管和上下安裝支架由不同厚度和不同直徑的圓管件彎制而成，各支架元件是由不同厚度的鈑金沖壓而成。與車身連接的、承載一定作用力、重要部件安裝的支架厚度為2mm，如橫梁管、左右A柱支架、上安裝支架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)支架，個別支架厚度為3mm，如下安裝支架。起連接作用為主的輔助支撐元件厚度為1.0mm或1.2mm，如線束組固定支架、電器件支架等。

2系統(tǒng)固有振動特性試驗研究

2.1試驗?zāi)B(tài)基本原理具有n自由度的系統(tǒng)運動，其振動微分方程可描述為：根據(jù)動力互易定理，只需要測量頻響函數(shù)矩陣的某一行或某一列元素便可以得到一組完整的模態(tài)振型。測試中為了減小共振附近處的噪聲，可通過功率譜密度函數(shù)來求得系統(tǒng)的頻響函數(shù)，即：通過該方法，頻響函數(shù)的測量在經(jīng)過多次平均后，會得到較高的置信度，有利于模態(tài)參數(shù)的識別。

2.2橫梁系統(tǒng)振動模態(tài)試驗試驗時將橫梁總成骨架和前圍板、地板、左右A柱作為一個系統(tǒng)考慮，考察該系統(tǒng)的固有振動特性。試驗前將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、儀表板系統(tǒng)、空調(diào)附件和收音機組件等全部拆解下來。只露出與車身壁板相連接的橫梁焊接骨架。試驗采用的儀器有LMSSCADASⅢ數(shù)采前端、PC工作站電腦、脈沖力錘、力傳感器、PCB三向加速度傳感器、BNC導(dǎo)線和工具等，試驗數(shù)據(jù)處理分析在LMSTest.Lab10B中完成。在軟件模塊中建立橫梁總成的幾何框架模型，定義系統(tǒng)參考坐標系的z向為沿橫梁管的長度方向，y向與橫梁管中間段凸出方向一致，根據(jù)右手定則確定x向。對上下安裝支架的歐拉角進行坐標轉(zhuǎn)換，使其z向沿支架長度方向，x向平形于車身對稱面且與z向垂直，根據(jù)右手定則確定y向。試驗采取固定加速度傳感器拾振，移動力錘激勵的方式獲取頻響函數(shù)矩陣的行向量。為了提高信噪比且避免結(jié)構(gòu)模態(tài)遺漏，在橫梁管上布置4個三向加速度傳感器，如圖2所示，在橫梁管上長度方向上布置24個激勵點，相鄰點間隔為8cm，上安裝支架布置3個激勵點，下安裝支架布置4個激勵點，力錘分別激勵各點的x向和z向。對實測頻響函數(shù)進行集總處理，采用PolyMax（多參考最小二乘復(fù)頻域法）算法識別橫梁總成的模態(tài)參數(shù)，其包絡(luò)穩(wěn)態(tài)圖如圖3所示。表1中列出了試驗分析獲得的橫梁車身系統(tǒng)整體模態(tài)參數(shù)結(jié)果，其中前三階振型如圖4、模態(tài)試驗結(jié)果顯示，橫梁系統(tǒng)的二階以上模態(tài)與動力系統(tǒng)的怠速激振頻率分離效果很好，而第一階固有頻率為28.2Hz，當轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、儀表板及其附屬件搭接到橫梁總成上以后，由于承重的增加會使得橫梁系統(tǒng)的一階固有頻率會下降5%左右，很容易與動力系統(tǒng)激振力發(fā)生耦合，因此有必要對橫梁總成的振動特性進一步結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化。

3系統(tǒng)固有振動特性仿真分析及優(yōu)化

3.1橫梁系統(tǒng)計算模態(tài)分析為了尋找出引起橫梁系統(tǒng)剛度較差的原因，在HyperMesh中建立車身與橫梁總成的有限元模型，導(dǎo)入至Nastran中計算系統(tǒng)的模態(tài)特性。計算分析結(jié)果中包含了較多車身和橫梁管上支架元件的局部模態(tài)，通過分析模態(tài)振型云圖特征，提取橫梁系統(tǒng)的前3階整體振動模態(tài)，結(jié)果如表2所示。圖7為橫梁系統(tǒng)的第一階計算模態(tài)振型，橫梁系統(tǒng)和車身前圍板作為一個整體系統(tǒng)作前后振動，鑒于橫梁系統(tǒng)在車身上的約束形態(tài)，其表現(xiàn)出俯仰振動變形。因此，引起橫梁系統(tǒng)一階固有頻率偏低、剛度較差的原因不僅和橫梁總成骨架本身的剛度有關(guān)，還和橫梁系統(tǒng)安裝基礎(chǔ)車身前圍板的剛度不足有關(guān)。

3.2基于靈敏度的板厚優(yōu)化駕駛室車身前圍板件和橫梁系統(tǒng)主要零件都是由不同厚度的鈑金制成，在不改變前圍板結(jié)構(gòu)的拓撲形式、整體輪廓尺寸和橫梁總成約束方式的前提下，系統(tǒng)唯一的設(shè)計參數(shù)便是零件板厚，因此如何優(yōu)化分配系統(tǒng)各零部件的板厚來獲得較好的剛度、質(zhì)量分布，使得系統(tǒng)的動態(tài)性能提升和車身輕量化達到較好的平衡，是下一步的工作方向。靈敏度分析在結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及分析中起著重要的作用，特別是對于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和修改。為了確定結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化方案，分析各個設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)特性變化的靈敏度十分必要，可以避免結(jié)構(gòu)修改中的盲目性[5]。設(shè)計靈敏度是結(jié)構(gòu)響應(yīng)對設(shè)計變量的偏導(dǎo)數(shù)（結(jié)構(gòu)響應(yīng)的梯度）。對于線性無阻尼結(jié)構(gòu)自由振動的動力學方程為：敏度分析有直接求導(dǎo)法、差分法和攝動法等幾種方法[5]。對上述有限元模型在OptiStruct中分析主要零部件的板厚對系統(tǒng)的低階模態(tài)的靈敏度，包括橫梁管、前圍外板、前圍內(nèi)板、前風窗框下橫梁、A柱前圍連接板1、A柱前圍連接板2、A柱前圍連接板3、橫梁總成上安裝支架、橫梁總成下安裝支架。靈敏度分析結(jié)果見表3所示。從靈敏度分析結(jié)果可以看出不同零件對橫梁系統(tǒng)的質(zhì)量和固有頻率影響程度不同，因此找出對系統(tǒng)固有振動頻率和質(zhì)量影響較為顯著的零件很有必要。優(yōu)化后的橫梁系統(tǒng)第一階固有頻率得到了有效提升，而對整車總質(zhì)量影響卻很小，只增加了2.5kg。對優(yōu)化后的模型進行有限元模態(tài)重分析后，第一階模態(tài)振動最大變形處的位移量比原始結(jié)構(gòu)減小了18%，剛度明顯提高。優(yōu)化結(jié)果使汽車儀表板橫梁系統(tǒng)質(zhì)量、固有頻率和剛度之間達到了較好的平衡，避免了盲目增加質(zhì)量或添加輔助支架引起的麻煩，因此認為該設(shè)計是可接受的。

4結(jié)束語

本文提出了一種改善汽車儀表板橫梁系統(tǒng)固有振動特性的思路，將某中型載貨汽車的橫梁總成與駕駛室車身的振動特性綜合考慮，利用LMSTest.Lab測試系統(tǒng)對橫梁系統(tǒng)進行約束模態(tài)試驗，試驗結(jié)果與有限元計算相結(jié)合找出了橫梁系統(tǒng)固有振動特性較差的原因，然后以提高第一階整體模態(tài)頻率為目的，分析了主要零件板厚對橫梁系統(tǒng)模態(tài)頻率和總質(zhì)量的靈敏度，最后利用OptiStruct對主要零件板厚進行了優(yōu)化，使得橫梁系統(tǒng)質(zhì)量、固有頻率和剛度三者之間得到了較好的平衡。

作者：宣海軍蘇榮江騰飛單位：江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心