基于ANSA的某汽車(chē)儀表板異響有限元分析及優(yōu)化

尹建偉　吳澤勛　甘劍飛　齊建偉　趙晶

摘 要：汽車(chē)噪聲大致可以分成兩類：穩(wěn)態(tài)持續(xù)噪聲和瞬態(tài)噪聲。路面噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲等都是穩(wěn)態(tài)持續(xù)噪聲這一類，而異響一般都屬于瞬態(tài)噪聲。近些年來(lái)消費(fèi)者越來(lái)越重視異響噪聲。文章簡(jiǎn)要介紹了一種在汽車(chē)設(shè)計(jì)前期進(jìn)行的，針對(duì)儀表板異響的分析優(yōu)化方案。應(yīng)用ANSA軟件的前處理插件，可以快速對(duì)異響風(fēng)險(xiǎn)位置建立E-line;其后處理軟件META可以快速對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，并進(jìn)行原因診斷，在設(shè)計(jì)前期給出指導(dǎo)建議。

關(guān)鍵詞：異響;儀表板;CAE;E-line

中圖分類號(hào)：U463.83+7? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）03-126-04

前言

隨著近些年來(lái)汽車(chē)工業(yè)蓬勃發(fā)展，異響作為一個(gè)汽車(chē)突出的問(wèn)題越來(lái)越受到消費(fèi)者的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，內(nèi)飾異響占到異響問(wèn)題總數(shù)的60%以上。儀表板異響的產(chǎn)生主要是因?yàn)檐?chē)輛在不同的路面激勵(lì)和特定車(chē)速下，內(nèi)飾零部件之間產(chǎn)生相對(duì)位移。這些異響是瞬態(tài)的，持續(xù)時(shí)間不是很長(zhǎng)。但相對(duì)于路面噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲這些持續(xù)噪聲而言，異響更易受到消費(fèi)者的抱怨。

儀表板異響主要包括兩種類型：摩擦聲和敲擊聲：

（1）敲擊聲是指有一定間隙的部件間由于相互撞擊產(chǎn)生的噪聲，又稱Rattle;零部件之間的間隙不合適、剛度不足或結(jié)構(gòu)松動(dòng)都可能會(huì)引起部件之間的相互撞擊，從而產(chǎn)生Rattle異響。

（2）摩擦聲是指部件間在摩擦接觸下滑移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，又稱Squeak。當(dāng)兩個(gè)表面發(fā)生黏滑效應(yīng)時(shí)，其中一個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生脈沖式的變形并儲(chǔ)存能量，當(dāng)變形突然恢復(fù)時(shí)又會(huì)脈沖式地釋放能量。這種黏滑效應(yīng)一旦超過(guò)材料所能承受的范圍，便會(huì)產(chǎn)生Squeak異響。

本文利用ANSA的E-line方法，在汽車(chē)研發(fā)初期對(duì)儀表板容易發(fā)生異響的位置進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，并有針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到降低儀表板異響風(fēng)險(xiǎn)的目的。

1 有限元模型的建立

本文計(jì)算在實(shí)車(chē)狀態(tài)下的儀表板異響。計(jì)算模型主要包括TB（內(nèi)飾車(chē)身）和儀表板總成兩部分，

其中儀表板總成包括主副儀表板和CCB（儀表板橫梁），如圖1所示。

1.1 塑料件的模擬

塑料件（包括儀表板本體、飾板、風(fēng)道等），采用2D殼單元模擬。由于其厚度不一，應(yīng)賦予不同的屬性。

1.2 附件的模擬

儀表板上的電器附件（如組合儀表、顯示屏等）本身對(duì)儀表板本體的剛度影響較小，因此可以用質(zhì)量單元（mass）簡(jiǎn)化模擬，如圖2所示。

1.3 連接的模擬

儀表板總成內(nèi)主要是由卡扣和鉚釘連接。用剛性單元Rbe2模擬連接剛度較強(qiáng)的鉚釘;采用彈性單元Cbush模擬連接剛度稍弱的卡扣，連接剛度采用經(jīng)驗(yàn)值（平動(dòng)剛度為150N/mm）。

1.4 創(chuàng)建E-line

首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)評(píng)估異響的風(fēng)險(xiǎn)位置，在風(fēng)險(xiǎn)位置定義節(jié)點(diǎn)對(duì)，這些節(jié)點(diǎn)對(duì)構(gòu)成一條評(píng)價(jià)線，稱為E-line（Evaluation Line）。E-line上節(jié)點(diǎn)對(duì)分別位于兩個(gè)接觸表面。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)都在各自沿接觸表面定義一個(gè)局部坐標(biāo)系，相鄰部件間隙方向定義為局部坐標(biāo)系Z向，相鄰部件接觸平面定義為局部坐標(biāo)系XY平面，見(jiàn)圖3。

E-line均按照Rbe3-Cbush-Rbe3的方式連接，但是根據(jù)異響類型的不同而有所不同：

（1）對(duì)于Rattle（敲擊聲），兩個(gè)部件之間無(wú)接觸，Cbush剛度為0;

（2）對(duì)于Squeak（摩擦聲），兩個(gè)部件之間有接觸，Cbush平動(dòng)剛度為1000N/mm。

2 載荷

2.1 載荷信息

目前有多種評(píng)價(jià)內(nèi)飾異響的路面，如比利時(shí)路面、搓衣板路、鋼繩路等。我們此次采用的是比利時(shí)路面40Km/h的載荷，屬于比較惡劣的工況，由多體動(dòng)力學(xué)模型提取，見(jiàn)圖4。

2.2 載荷加載

在底盤(pán)的車(chē)身接附點(diǎn)以力的形式（時(shí)域載荷）加載（見(jiàn)圖5），進(jìn)行模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析，求解頻率為0-100Hz，求解步長(zhǎng)為0.05s，求解時(shí)長(zhǎng)為10s。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 計(jì)算方法

在時(shí)域載荷下所獲得的節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)是隨機(jī)信號(hào)，因此不能用位移響應(yīng)的單一峰值來(lái)進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)，需根據(jù)位移響應(yīng)重新定義一個(gè)統(tǒng)計(jì)量來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

（1）將計(jì)算所得的節(jié)點(diǎn)對(duì)每個(gè)時(shí)間步的相對(duì)位移按照幅值大小進(jìn)行排序，選取排序后相對(duì)位移幅值最大的一定比例的時(shí)間步結(jié)果，這個(gè)比例叫做統(tǒng)計(jì)比例（Statistical Evaluation Parameter，簡(jiǎn)稱SEP）;

（2）將統(tǒng)計(jì)比例內(nèi)的幅值取平均，稱為最大幅值平均值（Mean of the Highest Values，簡(jiǎn)稱MHV）。敲擊聲和摩擦聲的結(jié)果不是由相對(duì)位移這一隨機(jī)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，而是由MHV（單一數(shù)值的統(tǒng)計(jì)量）作結(jié)果的最終評(píng)價(jià)。

3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 敲擊聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

敲擊聲分析結(jié)果按照以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

如果MHV<Gap-Tolerance，則無(wú)產(chǎn)生敲擊聲風(fēng)險(xiǎn);

如果MHV>Gap-Tolerance，則有產(chǎn)生敲擊聲風(fēng)險(xiǎn)。

其中，Gap?為相鄰兩部件間隙，Tolerance為相鄰兩部件公差，見(jiàn)圖6。

3.2.2 摩擦聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)摩擦聲分析結(jié)果，后處理時(shí)通過(guò)計(jì)算MHV30%，得出每條E-Line上XY平面內(nèi)最大相對(duì)位移值Max_P2P，與材料對(duì)測(cè)試滑移位移范圍數(shù)據(jù)對(duì)比，得到風(fēng)險(xiǎn)大小，見(jiàn)圖7。

Max_P2P值與材料對(duì)滑移位移范圍（如0.3-0.5）進(jìn)行比較：

（1）如果Max_P2P值小于0.3，則無(wú)產(chǎn)生摩擦聲風(fēng)險(xiǎn);

（2）如果Max_P2P值在0.3-0.5之間，則有可能產(chǎn)生摩擦聲;

（3）如果Max_P2P值大于0.5，則肯定產(chǎn)生摩擦聲。

3.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算，E-line3有產(chǎn)生敲擊聲風(fēng)險(xiǎn)，如圖8所示。

通過(guò)模態(tài)貢獻(xiàn)量診斷，第3階模態(tài)貢獻(xiàn)量最大，模態(tài)貢獻(xiàn)量見(jiàn)圖9，模態(tài)振型見(jiàn)圖10。

4 優(yōu)化方案

通過(guò)模態(tài)振型分析，發(fā)現(xiàn)儀表板前部上下板之間只有兩個(gè)卡扣連接，連接剛度不夠。在薄弱區(qū)域增加四個(gè)卡扣，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，節(jié)點(diǎn)對(duì)相對(duì)位移大大減小，無(wú)產(chǎn)生敲擊聲風(fēng)險(xiǎn)。

優(yōu)化方案見(jiàn)圖11，紅色點(diǎn)為原有卡扣位置，綠色點(diǎn)為新增卡扣位置。

5 結(jié)論

基于ANSA有限元軟件，對(duì)某車(chē)型儀表板進(jìn)行建模，并進(jìn)行異響性能分析，針對(duì)診斷結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

（1）該異響分析采用實(shí)際路面載荷，與實(shí)車(chē)試驗(yàn)具有較強(qiáng)的相關(guān)性;

（2）該分析方法可以在設(shè)計(jì)前期對(duì)異響性能進(jìn)行分析，并且有效識(shí)別風(fēng)險(xiǎn);

（3）本文的計(jì)算方法可應(yīng)用于類似的內(nèi)飾件的異響分析及優(yōu)化。該計(jì)算方法同樣可用于車(chē)身與開(kāi)閉件動(dòng)態(tài)間隙的分析與優(yōu)化，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與內(nèi)飾異響有所不同。

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