基于Nastran的汽車外后視鏡模態(tài)提升方法

顧曉丹,劉高領(lǐng)

(上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心,廣西柳州 545007)

0 引言

汽車外后視鏡是汽車主動(dòng)安全的重要裝置之一，一般設(shè)在汽車兩側(cè)，是駕駛員坐在駕駛室座位上直接獲取汽車側(cè)方和下方等外部信息的工具，能觀察汽車左右、上下車人員和兩旁的行人、車輛以及其他障礙物情況，以確保行車安全。在汽車行駛過程中，路面激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)都會(huì)引起車身振動(dòng)，可能造成后視鏡不同程度的抖動(dòng)。嚴(yán)重的抖動(dòng)會(huì)造成后方視野不清，導(dǎo)致駕駛員因判斷失誤進(jìn)而引發(fā)交通事故。因此，后視鏡除了應(yīng)滿足有關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求，合理選擇曲率半徑、鏡面大小及安裝位置外，必須注意后視鏡的動(dòng)態(tài)特性。作者通過一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例重點(diǎn)研究如何采用有限元方法快速找出導(dǎo)致汽車外后視鏡模態(tài)較低的原因及其優(yōu)化方法。

1 汽車外后視鏡結(jié)構(gòu)及安裝方式

外后視鏡總成結(jié)構(gòu)如圖1所示，由鏡片、鏡托、轉(zhuǎn)向器、基板、鏡殼、固定座等組成。安裝在左右前車門上，通過三點(diǎn)式或者四點(diǎn)式螺栓與車門連接。

圖1 外后視鏡結(jié)構(gòu)圖

2 外后視鏡模態(tài)有限元分析

2.1 有限元分析流程

外后視鏡安裝在車門上，可以把車門及外后視鏡作為一個(gè)整體系統(tǒng)來研究，決定外后視鏡模態(tài)的主要結(jié)構(gòu)是外后視鏡本體鏡座的剛度以及車門上外后視鏡安裝點(diǎn)的局部剛度。以上每個(gè)部分的剛度都應(yīng)該有相應(yīng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，在分別計(jì)算兩個(gè)子系統(tǒng)剛度的時(shí)候就可以快速地判斷出是哪個(gè)部件的剛度較低，進(jìn)

行有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

目前國內(nèi)對(duì)汽車零部件的設(shè)計(jì)已經(jīng)從主要依靠經(jīng)驗(yàn)逐漸發(fā)展到應(yīng)用有限元方法進(jìn)行計(jì)算和分析階段。圖2所示為外后視鏡模態(tài)有限元分析及優(yōu)化流程。有限元求解器采用MSC Nastran。

圖2 后視鏡有限元模態(tài)計(jì)算流程圖

2.2 外后視鏡及車門有限元建模

后視鏡鏡片、前殼、鏡托架、鏡殼采用以四邊形為主的混合殼單元模擬，單元基本尺寸為5 mm，基板及鏡座采用二階四面體實(shí)體單元模擬，單元基本尺寸為3 mm，電機(jī)采用集中質(zhì)量單元模擬。車門的鈑金件采用以四邊形為主的混合殼單元模擬，單元基本尺寸為8 mm。車門鉸鏈采用以六面體單元為主的實(shí)體單元模擬，單元基本尺寸為5 mm。鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)銷采用BAR單元模擬，同時(shí)必須保證BAR單元位于車門鉸鏈的設(shè)計(jì)軸線上。焊點(diǎn)與黏膠采用實(shí)體單元模型，模型中螺栓連接的位置采用剛性單元RBE2模擬。

表1 零件材料屬性

2.3 外后視鏡模態(tài)系統(tǒng)分析及子系統(tǒng)分析

依據(jù)有限元分析流程，可以將外后視鏡模態(tài)分析分成兩個(gè)步驟進(jìn)行：第一步驟是兩個(gè)子系統(tǒng)的計(jì)算，分別是外后視鏡本體模態(tài)計(jì)算以及車門上后視鏡安裝點(diǎn)的剛度計(jì)算；第二步驟是將以上兩個(gè)子系統(tǒng)組合在一起計(jì)算后視鏡整體模態(tài)。

2.3.1 單獨(dú)后視鏡約束模態(tài)計(jì)算約束條件及目標(biāo)

約束外后視鏡與車門連接處的螺栓孔全部自由度，計(jì)算后視鏡前100 Hz以內(nèi)的模態(tài)，重點(diǎn)關(guān)注第一階模態(tài)。目標(biāo)的制定根據(jù)標(biāo)桿車的后視鏡本體約束模態(tài)測(cè)試所得，后視鏡本體一階模態(tài)必須大于50 Hz。

圖3 外后視鏡本體模態(tài)計(jì)算有限元模型

2.3.2 單獨(dú)車門外后視鏡安裝點(diǎn)剛度計(jì)算約束條件及目標(biāo)

約束車門與車身連接鉸鏈及鎖體位置全部自由度，測(cè)量后視鏡的重心位置坐標(biāo)，將車門上外后視鏡安裝點(diǎn)采用剛性單元連接，且剛性單元的主節(jié)點(diǎn)位于外后視鏡重心位置，分別在主節(jié)點(diǎn)上施加X、Y、Z3個(gè)方向載荷，如圖4所示。結(jié)果處理時(shí)分別讀取主節(jié)點(diǎn)上各個(gè)方向的位移，由此得出后視鏡安裝點(diǎn)3個(gè)方向的剛度。

其二，退休是對(duì)你是否做到不忘宗旨的考驗(yàn)。有些黨員干部在位時(shí)還算規(guī)矩，卻經(jīng)不起“退”的考驗(yàn)。退休了，認(rèn)為“船到碼頭車到站”，放松了自我約束，思想走了下坡路。有的利用“余威”干政，為自己和親屬謀利；有的違規(guī)辦企業(yè)，做違法生意賺錢；有的沉迷于牌桌、賭場(chǎng)，鬧得家庭不和；有的甚至滑向腐敗的深淵， 敗壞了黨員干部在群眾中的形象。

圖4 外后視鏡安裝點(diǎn)剛度計(jì)算有限元模型

安裝點(diǎn)的剛度目標(biāo)要依據(jù)后視鏡的質(zhì)量而定，不同質(zhì)量的后視鏡目標(biāo)也不一樣，外后視鏡質(zhì)量越輕剛度目標(biāo)越小。作者根據(jù)外后視鏡本身的質(zhì)量制定的標(biāo)準(zhǔn)為：X向和Y向剛度大于200 N/mm，Z向剛度大于280 N/mm。

2.3.3 外后視鏡裝在車門上整體模態(tài)計(jì)算約束條件及目標(biāo)

如圖5所示，將外后視鏡有限元模型裝配在車門有限元模型上，約束條件與單獨(dú)外后視鏡安裝點(diǎn)剛度計(jì)算相同，計(jì)算后視鏡在車門上前100 Hz以內(nèi)的模態(tài)。重點(diǎn)關(guān)注一階模態(tài)。目標(biāo)的制定根據(jù)標(biāo)桿車的后視鏡在車門上整體模態(tài)測(cè)試所得，后視鏡在車門上的整體一階模態(tài)必須大于42 Hz。

圖5 外后視鏡帶車門模態(tài)計(jì)算有限元模型

2.4 有限元仿真結(jié)果

單獨(dú)外后視鏡模態(tài)計(jì)算結(jié)果是50.5 Hz，如圖6所示。單獨(dú)后視鏡約束模態(tài)剛好滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6 單獨(dú)外后視鏡模態(tài)計(jì)算結(jié)果

單獨(dú)車門外后視鏡安裝點(diǎn)剛度計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 外后視鏡安裝點(diǎn)剛度計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明外后視鏡安裝點(diǎn)的剛度遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)目標(biāo)，初步判定外后視鏡安裝在車門上的整體模態(tài)也不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要對(duì)車門上外后視鏡安裝點(diǎn)進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

后視鏡裝在車門上整體模態(tài)計(jì)算是37.6 Hz，小于目標(biāo)42 Hz，如圖7所示。

圖7 后視鏡整體模態(tài)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)果優(yōu)化及仿真結(jié)果

3.1 車門外后視鏡安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

前文已經(jīng)仿真計(jì)算出外后視鏡在車門上的安裝點(diǎn)局部剛度不滿足設(shè)計(jì)要求，后視鏡本體滿足設(shè)計(jì)要求，因此此次優(yōu)化僅針對(duì)車門后視鏡安裝區(qū)域進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。優(yōu)化方法通常有增加鈑金件厚度、優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)、優(yōu)化安裝點(diǎn)布置、優(yōu)化焊點(diǎn)布置等。作者采用優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)布置相結(jié)合的方法來提高安裝點(diǎn)的局部剛度。

外后視鏡安裝點(diǎn)位置由兩塊鈑金焊接而成，分別是內(nèi)板和外后視鏡加強(qiáng)板，如圖8所示。此案例結(jié)構(gòu)優(yōu)化重點(diǎn)是增加安裝點(diǎn)周圍筋條的數(shù)量以及加寬、加深筋條等，如車門內(nèi)板邊沿處增加翻邊、將后視鏡加強(qiáng)板安裝點(diǎn)周圍筋條加寬加深(如圖9黑框區(qū)域所示)，并重新進(jìn)行焊點(diǎn)布置(如圖9所示圓點(diǎn))。

圖8 原方案內(nèi)板及后視鏡加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)

圖9 優(yōu)化后內(nèi)板及后視鏡加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后后視鏡安裝點(diǎn)的剛度如表3所示，X向和Y向的剛度值已經(jīng)非常接近目標(biāo)，Z向剛度值已經(jīng)超越目標(biāo)。

表3 優(yōu)化后后視鏡安裝點(diǎn)剛度

3.2 優(yōu)化后后視鏡整體模態(tài)計(jì)算

將后視鏡有限元模型裝配在優(yōu)化后的車門有限元模型上，計(jì)算得出的后視鏡整體模態(tài)是42.1 Hz，如圖10所示，剛好滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖10 優(yōu)化后后視鏡整體模態(tài)計(jì)算結(jié)果

在此案例中引起外后視鏡整體模態(tài)不足的因素僅有車門上外后視鏡安裝點(diǎn)的剛度不足，有時(shí)候也會(huì)存在后視鏡本體模態(tài)或者兩個(gè)子系統(tǒng)的計(jì)算均不滿足目標(biāo)而導(dǎo)致外后視鏡整體模態(tài)不足，這兩種情況下就要對(duì)后視鏡本體固定座以及車門安裝點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。

4 有限元精度驗(yàn)證

圖11是對(duì)優(yōu)化后外后視鏡進(jìn)行模態(tài)測(cè)試示意圖。數(shù)據(jù)測(cè)試及分析所用電腦需安裝LMS test.lab測(cè)試軟件。測(cè)試時(shí)選取圖中1、2、3、4作為測(cè)試點(diǎn)，取位置2和3作為激勵(lì)位置。

圖11 外后視鏡模態(tài)測(cè)試

經(jīng)過軟件數(shù)據(jù)處理得出一階模態(tài)為42.65 Hz，振形為垂向模態(tài)，如圖12所示。

經(jīng)過測(cè)試及仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，仿真與測(cè)試誤差在5%以內(nèi)，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了仿真的精度較高。證明在新車型開發(fā)階段，在缺少實(shí)車驗(yàn)證的情況下可以采用文中所述的有限元分析方法對(duì)后視鏡本體及車門進(jìn)行計(jì)算以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少后期因?yàn)楹笠曠R模態(tài)不足而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)更改。

5 結(jié)論

(1)利用有限元分析方法可以在設(shè)計(jì)階段快速提出優(yōu)化方法及改善措施，從而有效避免后期后視鏡抖動(dòng)問題，并大大縮短研發(fā)周期。通過測(cè)試與仿真對(duì)比，驗(yàn)證了有限元分析的精度及可行性。

(2)利用文中所論述的方法,可以迅速找出導(dǎo)致后視鏡模態(tài)較低的主要原因，并進(jìn)行有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，避免因?yàn)槊つ刻嵘鴮?dǎo)致的設(shè)計(jì)余量過大和質(zhì)量成本增加。該方法也可以為解決其他車輛后視鏡抖動(dòng)問題提供參考。