基于頻響分析側(cè)碰傳感器安裝點結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李書陽，常光寶，梁靜強，呂俊成，張發(fā)煉

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

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基于頻響分析側(cè)碰傳感器安裝點結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李書陽，常光寶，梁靜強，呂俊成，張發(fā)煉

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

為保證側(cè)碰傳感器安裝位置的動剛度及共振性能，提出側(cè)碰傳感器安裝位置結(jié)構(gòu)動剛度及共振性能評價的頻率響應(yīng)分析方法。以某車型安全氣囊側(cè)碰傳感器安裝位置結(jié)構(gòu)為研究對象，利用HyperMesh軟件建立了有限元模型，通過Radioss求解器進行了動剛度及共振性計算分析，然后對安裝位置結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計。最終優(yōu)化方案達到了設(shè)計目標(biāo)要求，避免了側(cè)碰安全氣囊在車輛正常行駛過程中發(fā)生誤爆等危害乘客安全的隱患。

側(cè)碰傳感器；頻響分析；動剛度；共振性；有限元法

0 引言

汽車側(cè)碰安全氣囊傳感器作為汽車被動安全系統(tǒng)的重要模塊，用于監(jiān)測、采集碰撞加速度信號，控制安全氣囊的起爆時間，對保護乘員人身安全具有重要作用。但是，車輛在行駛過程中安全氣囊由于共振原因可能會發(fā)生誤爆，這樣安全氣囊不但不能對乘客起到保護作用，反而會對乘客安全造成極大的傷害。為了避免發(fā)生安全氣囊在車輛正常行駛過程中誤爆進而危害乘客安全的隱患，側(cè)碰安全氣囊傳感器安裝位置必須滿足一定的動剛度及共振性設(shè)計要求，而在車輛前期開發(fā)設(shè)計階段通過有限元仿真分析可有效提高傳感器安裝點結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率及準(zhǔn)確性。

1 側(cè)碰傳感器安裝位置結(jié)構(gòu)動剛度及共振性分析原理

動剛度分析是評價車身安裝點NVH性能的重要方法。動剛度是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位振幅所需要的動態(tài)力，表征了結(jié)構(gòu)在動態(tài)載荷下抵抗變形的能力。動剛度并不是一個常數(shù)，它隨頻率的變化而變化，是頻率的函數(shù)。分析車身安裝點動剛度時，施加源點單位力激勵，輸出源點加速度響應(yīng)，源點加速度曲線則稱為IPI(Input Point Inertance)曲線。IPI是考察車身安裝點局部動剛度的重要指標(biāo)，其計算公式為：

式中：F為安裝點所受載荷；Z為安裝點動剛度；a為加速度；ω為圓頻率；f為頻率；X為位移。

側(cè)碰安全氣囊傳感器安裝點動剛度結(jié)果采用20 dB表示，IPI曲線設(shè)計要求如圖1所示?？梢钥闯觯耗耻囆颓捌谠O(shè)計側(cè)碰傳感器安裝點結(jié)構(gòu)原方案的動剛度在主要關(guān)注頻率范圍內(nèi)幾乎完全不滿足目標(biāo)，結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化。

圖1 側(cè)碰傳感器安裝點動剛度評價標(biāo)準(zhǔn)

側(cè)碰安全氣囊傳感器安裝點共振性設(shè)計要求主要通過安裝點的聲慣量曲線來體現(xiàn)，聲慣量計算公式如下：

其中：F(ω)為頻域上的激勵力；Ax(ω)、Ay(ω)、Az(ω)為安全氣囊側(cè)碰傳感器安裝點在頻域上的X、Y、Z3個方向加速度響應(yīng)。

聲慣量曲線必須滿足圖 2 所示的評價標(biāo)準(zhǔn)。為滿足安裝點動剛度及共振性設(shè)計要求，側(cè)碰安全氣囊傳感器安裝點結(jié)構(gòu)的聲慣量曲線必須落在可接受區(qū)和良好區(qū)內(nèi)。

圖2 聲慣量曲線判定標(biāo)準(zhǔn)

2 有限元仿真分析及優(yōu)化

2.1 有限元仿真分析

某車型安全氣囊側(cè)碰傳感器總體尺寸38 mm×31 mm×29 mm，大小相對整個白車身而言非常小，其安裝點位于B柱內(nèi)板下緣。為了減少劃分網(wǎng)格時間，降低對計算資源的要求，

故僅需選取側(cè)碰傳感器周圍區(qū)域結(jié)構(gòu)(B柱區(qū)域、頂蓋部分結(jié)構(gòu)、門檻部分結(jié)構(gòu)、地板部分結(jié)構(gòu))作為分析對象。利用HyperMesh軟件進行有限元網(wǎng)格建模，分析模型如圖3所示：鈑金件選用Shell單元類型，單元尺寸10 mm×10 mm；選用Acm單元模擬焊點連接；螺栓連接選用Rigids單元；對單元賦予相應(yīng)的結(jié)構(gòu)屬性和材料屬性，材料參數(shù)中，彈性模量為2.1×105MPa，材料密度為7.83×103kg/m3，泊松比為0.3。將邊界約束X、Y、Z3個方向自由度設(shè)定為有限元仿真邊界條件。選擇模態(tài)頻響法，在側(cè)碰傳感器安裝點處分別施加X、Y、Z3個方向的動態(tài)單位激勵力，分析頻域為10～2 000 Hz，選取RADIOSS 求解器進行計算，輸出側(cè)碰傳感器安裝點頻域下的3個方向加速度響應(yīng)。

圖3 側(cè)碰傳感器安裝區(qū)域結(jié)構(gòu)有限元模型

前期設(shè)計方案有限元仿真分析結(jié)果見圖4、圖5中原方案結(jié)果曲線，可以看出：原方案Y向動剛度在10～1 000 Hz內(nèi)幾乎完全不滿足設(shè)計目標(biāo)要求，且聲慣量曲線在高于370 Hz頻率段超出可接受區(qū)域，存在共振風(fēng)險。

圖4 側(cè)碰傳感器安裝位置結(jié)構(gòu)各優(yōu)化方案Y向加速度及動剛度對比

圖5 側(cè)碰傳感器安裝位置結(jié)構(gòu)各優(yōu)化方案聲慣量結(jié)果對比

2.2 側(cè)碰傳感器安裝點結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上文有限元分析結(jié)果可知,側(cè)碰傳感器安裝點前期設(shè)計結(jié)構(gòu)的動剛度及共振性能存在一定的風(fēng)險，故考慮從以下幾方面提高該結(jié)構(gòu)動剛度及共振性能：

方案一：僅將B柱內(nèi)板由0.7 mm增厚至1.0 mm；

方案二：安全帶卷收器安裝孔周圍增加翻邊設(shè)計；

方案三：在側(cè)碰傳感器安裝位置增加凸臺設(shè)計及一局部加強板。

安裝點結(jié)構(gòu)具體優(yōu)化方案如圖6所示。

圖6 安裝位置結(jié)構(gòu)及優(yōu)化方案

因側(cè)碰傳感器安裝位置Y向為激勵與響應(yīng)主方向，故文中只列出Y向加速度響應(yīng)及動剛度結(jié)果曲線如圖4所示。文中動剛度關(guān)注頻率范圍10～1 000 Hz。

側(cè)碰傳感器安裝點結(jié)構(gòu)的共振性能由其聲慣量進行判定，各優(yōu)化方案聲慣量結(jié)果如圖5所示。文中聲慣量關(guān)注頻率范圍10～2 000 Hz。

由圖4、5結(jié)果對比曲線可以看出：

(1)方案一中將B柱內(nèi)板整體加厚僅將動剛度及聲慣量曲線向高頻率偏移，并不能徹底解決該問題且成本較高；

(2)方案二和方案三雖然成本較低、工藝簡單可行，但仍有個別頻率段動剛度不滿足目標(biāo)以及聲慣量曲線超出可接受區(qū)域上限，不可接受；

(3)基于方案二和方案三動剛度及聲慣量結(jié)果，最終方案將方案二與方案三進行組合，既在安全帶安裝孔周圍增加翻邊設(shè)計又在側(cè)碰傳感器安裝位置周圍增加凸臺設(shè)計及增加加強板，通過分析計算，效果非常明顯，其動剛度及聲慣量結(jié)果完全達到設(shè)計目標(biāo)要求。

3 試驗驗證

側(cè)碰傳感器安裝點結(jié)構(gòu)采用有限元仿真分析最終方案進行樣車試驗驗證。在圖7中B柱下端點1處安裝加速傳感器，在點2處使用力錘進行Y向敲擊，需要注意力錘激勵不允許出現(xiàn)雙峰信號。

采集測試傳感器的加速度信號和力錘的激勵信號，數(shù)據(jù)處理后獲得該側(cè)碰傳感器安裝點的頻響特性曲線，并將之與上文所得有限元仿真分析結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖8所示。測試響應(yīng)曲線處于可接受區(qū)上限以下。通過對比可知試驗結(jié)果與有限元仿真分析結(jié)果基本一致，均滿足側(cè)碰傳感器的安裝要求，充分證明了有限元仿真分析方法的可行性與實用性。

圖7 采用最終方案的實車測試圖

圖8 仿真結(jié)果與測試數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

利用頻率響應(yīng)分析方法對某車型側(cè)碰傳感器安裝點結(jié)構(gòu)動剛度、聲慣量進行了分析及優(yōu)化，同時對最終優(yōu)化方案進行了試驗驗證，試驗結(jié)果表明最終方案共振性能滿足了設(shè)計目標(biāo)要求，消除了側(cè)碰安全氣囊在車輛正常行駛過程中發(fā)生誤爆等危害乘客安全的隱患，提高了車輛乘坐的安全性。另外，在車型研發(fā)前期通過CAE分析工具的運用，縮短了設(shè)計周期，提高了設(shè)計質(zhì)量，節(jié)約了開發(fā)成本。

[1]王志亮，劉波，桑建兵，等.動剛度分析在汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造,2008(2):30-31. WANG Z L,LIU B,SANG J B,et al.Dynamic Stiffness Analysis in the Application of Auto-body Structure Design[J].Machinery Design & Manufacture,2008(2):30-31.

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新起點 新跨越——德梅柯新廠正式落成

6月23日，中國汽車裝備制造領(lǐng)域的龍頭企業(yè)——上海德梅柯汽車裝備制造有限公司新工廠盛大開業(yè)，并舉行了以“新起點，新跨越”為主題的工廠新址落成慶典。嘉定區(qū)副區(qū)長傅俊，華昌達董事長顏華，副董事長、全球總裁陳澤，上海德梅柯汽車裝備制造有限公司總裁孔兵以及德梅柯的客戶、合作伙伴等均蒞臨本次慶典現(xiàn)場，共同見證德梅柯開啟全新篇章的重要時刻。

在整個汽車制造的過程中，完成焊接但未涂裝之前的車身，包括車身結(jié)構(gòu)件及覆蓋件的總成，俗稱“白車身”。白車身相當(dāng)于人體的骨架，因而其結(jié)實程度對車身安全性的影響不言而喻。上海德梅柯汽車裝備制造有限公司正是國內(nèi)白車身及汽車智能裝備行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，而工廠新址的正式落成將為其樹立嶄新的里程碑。

德梅柯始創(chuàng)于2003年，主要客戶包括通用、大眾、上汽、寶馬、福特、吉利、沃爾沃、長安和江鈴等。

坐落于嘉定北工業(yè)區(qū)的德梅柯新工廠占地61 272 m2，現(xiàn)在引進了最先進的生產(chǎn)設(shè)備并正式投產(chǎn)，預(yù)示著德梅柯的研發(fā)生產(chǎn)線不斷向信息化和智能化轉(zhuǎn)型。德梅柯的另一核心技術(shù)——虛擬調(diào)試技術(shù)，即在前期模擬真實情況下的各個環(huán)節(jié)，節(jié)省現(xiàn)場調(diào)試時間近1/3，幫助德梅柯在保證效率的同時，為廣大客戶提供更加高質(zhì)量的產(chǎn)品與服務(wù)。

(來源：俞慶華)

Frequency Response Analysis and Optimization of Side Impact Sensor Installing Position

LI Shuyang, CHANG Guangbao, LIANG Jingqiang, LV Juncheng, ZHANG Falian

(SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545007, China)

In order to guarantee a certain dynamic stiffness and resonance performance for the installation position of side impact sensor, with frequency response analysis method, the evaluation standard of dynamic stiffness and the resonance performance was established for the installing position of sensors with side impact. The finite element model for analysis was established by HyperMesh software，and calculated by Radioss solution．Curves of calculated results were analyzed，and the structure of the sensor installing position optimized made the dynamic stiffness values and resonance performance of sensor installing position met practical requirements.

Side impact sensor；Frequency response analysis；Dynamic stiffness；Resonance performance；Finite element method

2017-03-21

李書陽，男，碩士，工程師，主要從事汽車NVH分析研究工作。E-mail：shuyang.li@sgmw.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.004

U461.2

A

1674-1986(2017)07-015-04