汽车仪表板横梁模态有限元分析

摘要：本文通过使用有限元软件HpyerMesh对乘用车仪表板横梁实行了模态分析,得到了仪表板横梁的一阶模态频率。通过与设计评价目标进行对比，提出了方案的改进建议，通过再次分析得出，新方案完全可以满足使用要求。
关键词：优化，仪表板横梁，模态

1 概述

仪表板横梁是汽车上的一种重要的承载机构，主要安装汽车仪表，安全气囊，转向系统等，汽车在行驶的过程中，本身受到的冲击振动较大，为了避免仪表板横梁与车身产生共振作用，必须对设计进行模态分析，

在设计人员在进行产品开发时，会导致零件的局部设计不够合理，从而导致模型不能满足模态要求。随着计算机软硬件的发展，CAE技术日益成熟，各种仿真方法，例如：有限元法，多体动力学，流体等技术，在现代产品设计中大量应用，在设计工程师完成初步的设计后，可以进行虚拟的产品试验，检验零件强度，刚度等是否达到目标值。如果产品不能满足要求，则依据分析结果，可以提出优化建议，从而可以大大缩短实物试验周期，降低成本费用，较好的提高产品的设计质量。

图1是汽车仪表板横梁、转向管柱总成各组成部分。

图1 仪表板横梁、转向管柱总成各组成部分

表1为仪表板横梁模型中各组成部分质量说明。在仪表板模态分析的过程中，模型的重量对分析结果影响较大，各部分的重量一定要和设计部门提供的重量相符。

表1 仪表板横梁模态分析模型质量说明

2 有限元模型的建立

首先本文模型的建立通过Catia建模后导入有限元分析软件HyperMesh中，导入的图形一般要进行修正处理，几何模型不等于有限元模型，需要对几何模型进行几何清理，才能生成准确的有限元模型。本文中转向系统总成结构比较复杂，在建立模型的过程中，为了保证分析精度和缩短分析时间，采用大小为3*3的尺寸建立二维单元，在此基础上生成实体单元。转向盘内部具有的安全气囊采用质量点的形式模拟。为了提高模态分析的准确性，仪表板横梁安装于部分白车身中，在横梁的两端和下支架与白车身进行固定。同时，在建立模型的过程中，不同的车型仪表板横梁周边连接件也不相同，本文分析的模型中，制动踏板和离合器踏板同时与白车身和横梁相连。

模型中要保留与转向机相连的上节臂和下节臂，两者之间的十字铰节采用共节的Beam单元模拟，分别要释放Beam单元两端的轴向旋转自由度，采用这种方式模拟可以使模型更加准确。

模型中使用的材料为合金钢，材料的弹性模量为1.7* E5MPa，泊松比为0.3。

所建立的仪表板横梁模型如图2所示。

图2 仪表板横梁有限元模型

3 理论依据

仪表板横梁模态分析主要考虑一阶模态频率，汽车在怠速的过程中，发动机的振动频率一般和本身的气缸数和冲程数有关，对于一般4缸4冲程的发动机其怠速频率可以按以下公式进行计算：
f=2*4*800/60*4=26.7Hz

为了防止仪表板横梁发生共振，一阶模态一般要求要高于怠速模态3Hz左右，即在本文中仪表板横梁的一阶模态要高于30Hz，即可以满足使用要求。

4 边界条件的施加

在模态分析的过程中，约束方式和模型的重量对分析结果影响较大，所以，要对模型施加准确的边界条件。本文截取白车身的部分模型，在模型的边缘处进行全约束，在下节臂与转向机连接处为自由状态。

图3 边界条件的施加图

5 分析计算

通过分析，得出仪表板横梁带白车身的模态分析情况，如图4和图5所示。

图中仪表板横梁的一阶模态为29.6Hz，一阶振型为垂向摆动，二阶振型为水平摆动。为了进一步提升仪表板横梁的模态，本文对设计方案提出了改进建议。

6 设计优化

仪表板横梁为圆筒形梁，从分析数据中，可以得出横梁的厚度对模态的贡献量较多，本文主要从以下两个方面提升设计分析数据。一 将仪表板横梁由之前的厚度1.2mm增加为1.5mm。二 仪表板横梁与车身连接支架厚度由1.2mm增加为1.5mm。模型如图6所示。

图6 仪表板横梁模型

通过进一步分析得出，改善后的模型模态有所提高，一阶模态为31.2Hz，振型为垂向摆动。二阶模态为35.5Hz，振型为水平摆动，改善后的模型完全可以满足使用要求。

参考文献
[1] 张洪欣 汽车设计, 机械工业出版社，2002
[2] 余志生 汽车理论，机械工业出版社，2007
[3] 曾攀 有限元法分析及应用.清华大学出版社，2004
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[5] 刘惟信 汽车车桥设计.清华大学出版社，2003