基于ABAQUS的汽車儀表板模態(tài)及剛度分析

謝暴，陶其銘

（1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽合肥 230011；2.江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230022）

基于ABAQUS的汽車儀表板模態(tài)及剛度分析

謝暴1，陶其銘2

（1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽合肥 230011；2.江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230022）

通過(guò)ANSA建立某車型儀表板的有限元模型，利用ABAQUS軟件進(jìn)行儀表板的模態(tài)和剛度分析，并根據(jù)分析結(jié)果與設(shè)計(jì)允許值的對(duì)比情況，對(duì)儀表板結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)方案，為該車的后續(xù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化提供理論依據(jù)和參考.

儀表板；CAE；模態(tài)分析；剛度分析

隨著數(shù)值分析理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAE技術(shù)在現(xiàn)代汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中扮演著越來(lái)越重要的角色[1].儀表板總成是汽車內(nèi)飾中最重要的組成部分，是集安全性、功能性以及舒適性于一體的部件，使用CAE技術(shù)可以快速對(duì)儀表板總成的模態(tài)性能、剛度性能等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而降低新車型的開發(fā)成本[2].本文以某公司新開發(fā)的一款車型的儀表板為研究對(duì)象，使用ABAQUS軟件通過(guò)有限元方法來(lái)分析儀表板總成在不同位置下的剛度特性，檢測(cè)其是否符合剛度指標(biāo)[3]；計(jì)算儀表板總成的模態(tài)特性，檢測(cè)其是否符合模態(tài)特性指標(biāo)，并根據(jù)分析結(jié)果與設(shè)計(jì)允許值進(jìn)行對(duì)比，從而提出儀表板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)建議，為該車的后續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和參考.

1 模態(tài)分析方法

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種近似方法，其目的是確定用以描述其系統(tǒng)特性的固有頻率和振型等.模態(tài)分析可以通過(guò)解析分析和試驗(yàn)分析兩種手段實(shí)現(xiàn)，解析模態(tài)分析，即根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀、邊界條件和材料特性，用質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣表征其結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度分布和阻尼分布等動(dòng)態(tài)特性.利用CAE技術(shù)，通過(guò)對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)建立有限元模型，求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)，進(jìn)行頻率響應(yīng)分析[4]，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和修正.本文主要介紹解析模態(tài)分析技術(shù)在儀表板模態(tài)分析上的應(yīng)用.

對(duì)于該儀表板模型結(jié)構(gòu)，其彈性體振動(dòng)的基本方程為[5]

式中[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣；{X}、、分別為位移、速度和加速度向量；{F(t)}為系統(tǒng)所受外載荷向量.

在無(wú)阻尼自由振動(dòng)的情況下，進(jìn)行傅立葉變換可得簡(jiǎn)化后的動(dòng)力學(xué)方程

假定其解為簡(jiǎn)諧函數(shù)形式

式中φ為特征向量或振型，ω為系統(tǒng)特征圓頻率.將式（3）代入式（2）中，且令λ=ω2，則得到系統(tǒng)的特征值方程為

式（4）存在非零解的條件為矩陣行列式為0，即

展開式（5）可得到關(guān)于λ的N次多項(xiàng)式方程，該方程的N個(gè)根λ1,λ2???λn為系統(tǒng)的特征值，將λ1,λ2???λn代入式（4），即可得與λi對(duì)應(yīng)的特征向量φi，每一特征值和特征向量決定結(jié)構(gòu)的一種自由振動(dòng)形式.

Block Lanczos方法采用稀疏矩陣方程求解器，是將n×n階實(shí)矩陣經(jīng)相似變換約化為三對(duì)角矩陣以求解特征值問(wèn)題的一種方法[6]，運(yùn)算速度快，輸入?yún)?shù)少，特征值、特征向量求解精度高，故本文采用Lanczos方法提取儀表板總成前8階彈性模態(tài).

2 建立有限元模型

為了保證計(jì)算精度，有限元模型必須能夠如實(shí)反映儀表板總成的幾何特性和力學(xué)特性[7].將儀表板CAD模型導(dǎo)入ANSA軟件中完成網(wǎng)格劃分和零件連接.抽取儀表板總成的CAD模型版件的中面建立有限元模型，該模型選取以四邊形為主的殼單元進(jìn)行離散，兼用少量三角形單元以滿足高質(zhì)量網(wǎng)格的過(guò)渡需要，并利用質(zhì)量點(diǎn)模擬CAD模型中非關(guān)鍵小尺寸的零部件以簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，儀表板總成零件間的螺柱、螺釘、卡扣連接以及質(zhì)量單元的連接均采用RBE2單元模擬.

在模態(tài)分析和剛度分析中假設(shè)所有材料屬性均為線彈性材料，相關(guān)材料的屬性見(jiàn)表1.

最終建立的儀表板有限元模型見(jiàn)圖1，有限元模型的描述見(jiàn)表2.

3 模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 模態(tài)分析

表1 儀表板模型中所用材料參數(shù)

該儀表板總成與車身、地板的連接方式與位置如圖2所示，通過(guò)約束對(duì)象位置節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度來(lái)模擬螺栓聯(lián)接，通過(guò)約束節(jié)點(diǎn)的3向平動(dòng)自由度模擬銷聯(lián)接，設(shè)置的邊界條件如圖3所示.

圖1 儀表板有限元模型

表2 有限元模型的描述

圖2 儀表板與車身、地板連接方式及位置圖

3.2 模態(tài)分析結(jié)果及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用ABAQUS通過(guò)有限元方法進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，所得模態(tài)前8階的頻率見(jiàn)表3，前8階模態(tài)振型見(jiàn)圖4.

表3 前8階固有頻率及分析

圖3 設(shè)置的邊界條件

本車型采用4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率為25 Hz，為減少振動(dòng)，保證儀表板總成有良好的振動(dòng)特性，要求儀表板總成在約束狀態(tài)下一階整體固有頻率＞34 Hz.從表3中的數(shù)值以及圖4中可以看出第四階總體頻率33.1 Hz，略小于要求的34 Hz.建議通過(guò)以下方法來(lái)增加儀表板本體的垂向彎曲剛度，從而提高其整體模態(tài)值：（1）增加儀表板本體上橫向筋或增加料厚；（2）雜物箱存在多個(gè)局部模態(tài)，需要增加剛度；（3）儀表板本體下蓋，副儀表板存在局部模態(tài)，需要增加約束，在其后部分別增加一個(gè)支架，與儀表板橫梁直接連接.結(jié)合三種改進(jìn)方案，使儀表板總成的一階模態(tài)值提高到34.9 Hz，有效避免了儀表板與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)共振，改進(jìn)方案在本車型上已經(jīng)實(shí)施，路試效果良好.

圖4 前8階模態(tài)振型

4 剛度分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

圖5 儀表板剛度分析受力位置

表4 儀表板剛度設(shè)計(jì)要求

4.1 剛度分析

儀表板系統(tǒng)需要有一定的剛性，儀表板系統(tǒng)的剛性一般通過(guò)儀表板橫梁骨架的結(jié)構(gòu)剛度來(lái)表征，其定義是對(duì)儀表板橫梁進(jìn)行2倍重力模擬加載，其位移一般應(yīng)該小于2 mm[8].

本車型的剛度分析采用與模態(tài)分析基本相同的有限元模型.但是模態(tài)分析有些零件網(wǎng)格劃分比較粗，在針對(duì)該零件的剛度分析時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化.為了模擬垂直幾何表面加載，在加載位置建立局部坐標(biāo)，方便在正確方向上施加載荷.

根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將載荷模擬為6個(gè)點(diǎn)的受力，本車型的受力位置見(jiàn)圖5，儀表板剛度設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表4.

采用ABAQUS通過(guò)有限元方法進(jìn)行剛度分析計(jì)算，所得各加載位置的位移云圖如圖6所示，剛度分析的結(jié)果見(jiàn)表5.

4.2 剛度分析結(jié)果及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從表5中可以看出，在指定的垂直壓力作用下，加載位置2、3、4符合設(shè)計(jì)要求，其他幾個(gè)作用位置的位移都偏大，特別是在加載位置6大得多.建議通過(guò)以下方法提高各部分剛度，加載位置1的位移超出要求值數(shù)倍，需要增加額外的支撐、增設(shè)更加密集的加強(qiáng)筋或者改變本體厚度；加載位置2、3、4符合設(shè)計(jì)要求；在加載位置5變形值為2.3 mm，接近目標(biāo)值，應(yīng)適當(dāng)增加加強(qiáng)筋的數(shù)量；加載位置6的安全氣囊蓋板材料彈性模量很小，剛度分析時(shí)是在該位置不考慮其內(nèi)部支撐情況下進(jìn)行的，因此該位置在規(guī)定載荷下會(huì)發(fā)生破壞，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)應(yīng)忽略該點(diǎn)的分析.

表5 儀表板剛度分析結(jié)果

5 結(jié)論

本文利用CAE技術(shù)針對(duì)某車型儀表板進(jìn)行了模態(tài)及剛度分析，通過(guò)將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)允許值進(jìn)行對(duì)比，從而提出儀表板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)建議，為該款車的后續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和參考；同時(shí)本研究也為同部件或其他類似部件的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了方法上的借鑒.

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[5]顧彥.汽車NVH設(shè)計(jì)CAE綜合解決方案研究[D］.上海：上海交通大學(xué)，2004：6-18.

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Modal and Rigidity Analysis and Research of the Automobile Instrument Panel Based on ABAQUS

XIE Bao1,TAO Qi-ming2
(1.Department of Mechanical Engineering,Anhui Vocational and Technical College,Hefei 230051,China; 2.Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei 230022,China)

The finite element model is established for a vehicle instrument panel by ANSA.An analysis is made of the modal and rigidity of the panel using ABAQUS software and according to the comparison between the re?sults of the analysis and design of allowed values,the improved scheme is put forward on the panel structure to provide a theoretical basis and reference for the subsequent improvement structure and optimization for it.

instrument panel;CAE;modal analysis;rigidity analysis

U463

A

1008-2794（2013）04-0065-06

2013-03-27

安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金項(xiàng)目“汽車儀表板頭部碰撞模擬分析的研究”（ZD1106）

謝暴，副教授，碩士，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，E-mail：xiebaomail@126.com.