車載中控屏振動夾具傳遞特性及結構優(yōu)化研究

摘" 要：汽車電子零部件振動測試夾具良好的傳遞特性是保證測試有效性的重要指標之一。夾具的剛度和強度不足影響振動測試結果準確性，從而影響產(chǎn)品可靠性和壽命評估的準確性，因此，研究夾具的振動傳遞特性尤為重要。以車載中控屏振動夾具為研究對象，根據(jù)有限元仿真分析理論計算其模態(tài)，仿真分析結果驗證了夾具的傳遞特性滿足設計要求。開展夾具的輕量化設計，使用模態(tài)疊加法對減重后的夾具開展諧響應分析得到其振動響應。實驗驗證了仿真分析結果的準確性，且輕量化設計結果滿足要求。

關鍵詞：振動傳遞特性；有限元；輕量化

中圖分類號：TP39；TG75 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）23-0015-04

Research on Transmission Characteristics and Structural Optimization of Vibration Fixtures for Vehicle Central Control Screen

LI Liyu， FANG Jun

（Guangzhou Jingce Testing Technology Co.， Ltd.， Guangzhou" 510000， China）

Abstract： The good transmission characteristics of vibration testing fixtures for vehicle electronic components is one of the important indicators to ensure the effectiveness of testing. The insufficient rigidity and strength of the fixtures affect the accuracy of vibration testing results， thereby affecting product reliability and life evaluation accuracy. Thus， it is particularly important to study the vibration transmission characteristics of fixtures. Taking a vibration fixture of the vehicle central control screen as the research object， this paper calculates the modal according to the finite element simulation analysis theory， and the simulation analysis results verify that the transmission characteristics of the fixture meets the design requirements. It carries out lightweight design of the fixture and uses modal superposition method to conduct harmonic response analysis on the reduced weight fixture to obtain its vibration response. The experiment verifies the accuracy of the simulation analysis results， and the lightweight design results meet the requirements.

Keywords： vibration transmission characteristics; Finite Element Method; lightweight

0" 引" 言

隨著汽車工業(yè)特別是新能源汽車的快速發(fā)展，智能化使得汽車電子零部件在整車的占比越來越高，電子零部件的可靠性也越來越重要[1]。振動測試是汽車電子零部件的重要測試項目之一，夾具是振動試驗中的能量傳輸裝置，其作用是將振動能量從振動臺傳遞給試驗樣件，因此，夾具的設計和性能對振動試驗的有效性有著直接的影響[2]。好的夾具應該能夠準確真實地模擬實際工作條件下的振動特征，并能夠穩(wěn)定地傳遞振動能量給試驗樣件，以確保測試結果的準確性和可靠性，因此，研究夾具的傳遞特性，確保測試的有效性非常有必要。

近年來許多工程技術人員都對振動夾具開展了相關的研究。針對振動夾具基本設計準則方面，姜震等對小型汽車零部件振動夾具的基本要素進行了綜述，提出了確保振動夾具剛性和質(zhì)量輕的設計要求[3]。針對電池包振動夾具傳遞特性驗證方面，岳煉對振動臺、工裝夾具和電池包進行掃頻試驗，驗證了振動信號的準確傳遞[4]。鄧傳錦等提出集成電路振動夾具傳遞特性采用基于激光測振儀測量的無接觸的樣品端傳遞特性的測量方法[5]。針對振動夾具結構設計優(yōu)化方面，孟金玲等針對電路板環(huán)境應力篩選試驗的振動篩選提出了一種以電路板尺寸和固有頻率為約束的工裝設計方法[6]。陳騰飛使用拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化兩種方法對夾具進行優(yōu)化設計以實現(xiàn)設計目標等[7]。馬正剛等對顯控設備振動夾具設計及頻率響應分析時采用了有限元分析的方法，分析了夾具的模態(tài)、隨機振動和諧響應[8]。李楠等通過對振動臺夾具進行有限元建模在此基礎上就車身夾具系統(tǒng)進行了頻響和疲勞分析，保證夾具設計質(zhì)量[9]。相比以往的經(jīng)驗設計方法，本文以汽車電子車載中控屏的振動耐久測試夾具為研究對象，采用仿真分析的方法研究夾具的固有頻率，并采用諧響應分析方法獲得夾具的振動響應，在夾具設計之初就能獲得夾具的力學特性，避免過多的實驗驗證。然后根據(jù)仿真分析的結果對夾具進行輕量化設計，最后采用實驗和仿真相結合的方法，通過實測中控屏振動夾具諧響應，驗證夾具的傳遞特性滿足設計要求。

1" 模態(tài)分析理論基礎

模態(tài)是指振動夾具在自由振動時的固有頻率、振型和振幅等特征。模態(tài)是由夾具的結構本身特性、材料屬性和固定方式?jīng)Q定的，與外部施加的載荷無關。夾具的模態(tài)參數(shù)可以更全面地反映夾具的傳遞特性，相比物理參數(shù)，更能從整體上揭示夾具的振動行為。通過研究夾具在不同固有頻率下的振動特征和振型，這對于評估夾具的振動特性、確定其在不同頻率范圍內(nèi)的響應、優(yōu)化設計以及改善振動能量傳遞效果具有重要意義。

系統(tǒng)自由振動方程如式（1）所示：

（1）

其中，M、C和K分別為結構的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，該參數(shù)為產(chǎn)品的固有屬性。Y為結構內(nèi)各點的位移，為結構內(nèi)各點的速度、為加速度響應。忽略阻尼的影響，對于無阻尼振動，得式（2）：

（2）

其中，Y為位移向量，α為相位角，根據(jù)式（2）得到式（3）：

（3）

求式（3）方程可得結構的n階固有頻率，一般分析中，需重點關注低階的固有頻率，特別是第一階固有頻率，根據(jù)各階固有頻率大小，可取前四階固有頻率及其振型進行分析。

2" 夾具有限元建模

有限元分析是一種廣泛用于工程領域的數(shù)值計算方法，用于求解連續(xù)結構力學問題。有限元分析的離散化過程稱為網(wǎng)格劃分，它的基本思想是將復雜的連續(xù)結構離散化為有限個簡單的幾何單元，如四面體網(wǎng)格或六面體網(wǎng)格等，并對每個單元和節(jié)點進行計算，各個單元和節(jié)點傳遞力、位移等信息，最后將這些單元的計算結果組合起來，完成整個結構的計算。

2.1" 材料力學參數(shù)和模型

分析對象為車載中控屏振動夾具，材料一般為鋁合金，本研究對象材料成分為6061鋁合金，不考慮溫度對材料參數(shù)的影響，其密度為2.770×103 kg/m3，彈性模量為71 000 MPa，泊松比為0.33。振動夾具的底板尺寸為12.0 mm，兩邊的肋板厚度為30.0 mm，重量為5.99 kg。

2.2" 網(wǎng)格劃分

對初步設計的中控屏振動夾具進行有限元建模，首先需要進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元以6面體主導，6面體網(wǎng)格不滿足時自動退化4面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結果如圖1所示。

為了保證仿真的準確性，需對劃分的網(wǎng)格進行質(zhì)量檢查，網(wǎng)格質(zhì)量檢查的指標主要有單元質(zhì)量、縱橫比，雅克比系數(shù)、扭曲系數(shù)和平行偏差。中控屏振動夾具模型的網(wǎng)格劃分單元數(shù)為48 228，節(jié)點數(shù)為200 989。單元質(zhì)量結果中最優(yōu)質(zhì)量為0.999 9，平均質(zhì)量為0.837 2，平均質(zhì)量大于0.7，單元質(zhì)量滿足要求?？v橫比最小值為1，平均值為1.875 3，單元縱橫比平均值應小于7，因此縱橫比滿足要求。雅克比平均值為1.508 8，接近1為完美網(wǎng)格，因此雅克比滿足要求。扭曲系數(shù)為0，該指標理想值為0，因此扭曲系數(shù)滿足要求。平行偏差為0，該指標理想值為0，因此平行偏差滿足要求。綜上所述，振動夾具的網(wǎng)格劃分質(zhì)量滿足要求。

2.3" 約束條件

對振動夾具的螺栓通孔施加固定約束，共對其中的8個螺栓孔施加全約束，如圖2所示。

2.4" 模態(tài)仿真分析結果

對中控屏振動夾具進行模態(tài)分析，得到了夾具的力學特性，前四階固有頻率如表1所示。固有頻率仿真計算結果表明，第五階固有頻率為2 124.5 Hz，已超過2 000 Hz，所以第五階及以后的固有頻率點不再進行分析。前四階固有頻率對應的振型如圖3所示。

為了真實地體現(xiàn)系統(tǒng)的振動性能，需要振動夾具將振動臺的輸入能量盡可能不失真地傳遞給測試件，這就要求振動夾具的一階固有頻率遠離激勵信號的頻率[10]。根據(jù)主機廠的要求，350 Hz以下不能出現(xiàn)共振頻點，仿真分析結果表明，一階固有頻率遠大350 Hz，因此所設計的夾具滿足剛度要求，該夾具具有良好的傳遞特性。

3" 夾具輕量化

為了避免在振動過程中出現(xiàn)共振，要求盡可能提高振動夾具的固有頻率，增加質(zhì)量可以提高夾具的固有頻率，但是振動設備的推力是有限的，重量過大的夾具振動過程對設備會造成損傷。因此在保證剛度足夠的情況下，振動夾具的質(zhì)量盡可能要輕。根據(jù)仿真分析結果，中控屏振動夾具存在過設計，需要對結構進行輕量化設計。振動夾具在減重的同時需要滿足中控屏的結構尺寸安裝要求，因此，僅對夾具的底板厚度以及兩邊肋板的厚度進行優(yōu)化，結合中控屏的安裝要求，將夾具的底板厚度減小為10 mm，肋板的厚度減小為20 mm，重量減輕為4.17 kg。結構減重后的模態(tài)仿真分析前六階固有頻率的結果如表2所示。

減重后的振動夾具固有頻率有所降低，根據(jù)模態(tài)分析結果，為覆蓋二階固有頻率，諧響應仿真分析掃頻頻率設置為10～1 200 Hz。根據(jù)主機廠給出的振動夾具傳遞特性測試條件作為基礎激勵，掃頻速率為1 oct/min，振動加速度10 m/s2，阻尼系數(shù)為0.05，掃頻方向為X、Y和Z三個方向。

諧響應仿真分析結果中，Z方向的頻率響應如圖4所示，頻率895.99 Hz下其振幅頻率響應為 1.036 9×10-4 mm，其加速度響應為3 286.1 mm/s2，最大von-Mises應力為0.306 MPa，最大變形量為 0.000 5 mm。X方向的頻率響應如圖5所示，頻率1 058.1 Hz下其振幅響應為2.162 8×10-4 mm，其加速度響應值為9 598.5 mm/s2，最大von-Mises應力為0.549 MPa，最大變形量為0.000 6 mm。Y方向的頻

率響應如圖6所示，頻率921.60 Hz下其振幅頻率響應為2.263 7×10-4 mm，其加速度響應為27 455 mm/s2，最大von-Mises應力為0.141 MPa，最大變形量為0.001 3 mm。中控屏的振動夾具在固有頻率附近存在振幅增強現(xiàn)象，但與其激勵輸入相比振幅頻率響應較小，高頻未發(fā)生共振現(xiàn)象。振動夾具在掃頻的頻率范圍內(nèi)具有良好的傳遞特性，減重后的振動夾具滿足設計要求。

參與振動試驗中振動量值的獲得，最直接也是主要的單元之一是加速度傳感器[11]。每個振動夾具和振動臺臺面上分別布置加速度傳感器，電荷傳感器直接輸出高阻抗電荷信號，因此選擇電荷耦合方式的

加速度傳感器。振動臺面的加速度傳感器靈敏度為2.99 pC/（m/s2）。振動夾具上粘貼電荷耦合的加

速度傳感器，其靈敏度分別為1.13 pC/（m/s2）、0.728 pC/（m/s2）和1.16 pC/（m/s2）。將夾具固定在振動臺上，并確保其可靠連接，一般車載電子零部件的振動測試需要同時測試3個樣品。為了確保振動傳遞的一致性，采取分體夾具的設計方式，即每個樣品使用一套夾具進行固定。Z方向、X方向和Y方向3個振動方向的夾具安裝和加速度掃頻結果分別如圖7、圖8和圖9所示。根據(jù)掃頻測試結果，中控屏的振動夾具在掃頻頻率范圍內(nèi)不存在共振點，且其趨勢和仿真分析的結果吻合。

4" 結" 論

經(jīng)過減重后的中控屏振動測試夾具的一階固有頻率為923.91 Hz，遠高于中控屏振動夾具傳遞特性要求的350 Hz以內(nèi)不出現(xiàn)共振頻率的要求。中控屏振動夾具的諧響應仿真分析和實驗測試結果表明，3個振動方向低頻段均未發(fā)生共振現(xiàn)象，高頻段出現(xiàn)振幅增強情況，但是振幅響應較小。因此，振動夾具的動態(tài)傳遞特性良好，滿足振動測試要求。

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作者簡介：李立宇（1988—），男，漢族，廣西梧州人，工程師，碩士，研究方向：電子產(chǎn)品環(huán)境可靠性、機械壽命；方軍（1992—），男，漢族，江西景德鎮(zhèn)人，工程師，本科，研究方向：車載電子產(chǎn)品環(huán)境可靠性。