石 錦 杜登惠 蔣 晨 岳亮亮

（泛亞汽車技術(shù)有限公司）

1 前言

汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的整體模態(tài)是其前期開發(fā)階段需要關(guān)注的重要性能指標(biāo)。若模態(tài)指標(biāo)不滿足要求，將在整車疲勞耐久試驗(yàn)或客戶使用過程中出現(xiàn)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損壞等問題。

在汽車保險(xiǎn)杠產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)階段，因沒有物理樣件，所以通常采用CAE虛擬仿真來評估保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)，預(yù)測其結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，因而較高CAE仿真結(jié)果的置信度成為保險(xiǎn)杠開發(fā)能力的體現(xiàn)。本文通過對虛擬分析結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，合理改進(jìn)CAE分析方法，進(jìn)一步提高保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)仿真結(jié)果的置信度。

2 模態(tài)分析方法

保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的模態(tài)分析方法主要有理論模態(tài)分析方法和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法。

2.1 理論模態(tài)分析

在實(shí)際工程中，通常采用數(shù)值方法進(jìn)行理論模態(tài)分析，由于有限元法具有很強(qiáng)的實(shí)用性和通用性，區(qū)域離散的有限元法在眾多數(shù)值方法中最受歡迎[1]，因此，將采用有限元法對汽車前保險(xiǎn)杠進(jìn)行理論模態(tài)分析，求解基本原理如下。

對于具有多個(gè)自由度的系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)方程為[2]:

式中，[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{x}為節(jié)點(diǎn)位移列陣；{f}為結(jié)構(gòu)載荷列陣。

由于需要分析結(jié)構(gòu)的固有特征，所以取{f}=0；同時(shí)因結(jié)構(gòu)的阻尼很小，對固有頻率和振型的影響可忽略不計(jì)，則無阻尼自由振動(dòng)方程為:

式（2）為常系數(shù)齊次微分方程，設(shè)其解為:

式中，xM為振幅列矢量；j2=-1；t為時(shí)間；w為振動(dòng)固有頻率，令w2=λ。

將式（3）代入式（2），并令其有非零解的條件系數(shù)行列式必須等于零，則

由式（4）可解得特征值所對應(yīng)的第i階特征矢量 xMi，即對應(yīng)于各階固有頻率 w1，w2，，…，wn，則有各階固有振型 xM1，xM2，…，xMn。

2.2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

模態(tài)試驗(yàn)測試系統(tǒng)包括激勵(lì)設(shè)備、傳感系統(tǒng)和分析設(shè)備三部分。通常采用力錘作為激振，以單點(diǎn)激振、多點(diǎn)拾振來采集數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過專業(yè)軟件處理即可得到模態(tài)振型和頻率。前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的模態(tài)測試在整車上進(jìn)行，其試驗(yàn)流程見圖 1。

3 模態(tài)有限元分析

3.1 模型描述

采用hypermesh軟件截取半車模型進(jìn)行有限元建模，包括前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)、部分白車身、副車架、翼子板和大燈等，如圖2所示。對于前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的各零件，用網(wǎng)格準(zhǔn)確表現(xiàn)其幾何特征和安裝孔位；由于塑料零件可能存在厚度變化的情況，根據(jù)不同幾何數(shù)模分組并賦予不同的厚度。

前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在車身側(cè)的安裝點(diǎn)同樣是建模的關(guān)鍵。對于螺栓、螺釘、推釘?shù)冗B接方式，各安裝孔采用了兩圈四邊形單元模擬，以確保內(nèi)圈的外徑與墊片尺寸相同，并采用MPC單元連接內(nèi)圈節(jié)點(diǎn)；對于塑料卡扣，根據(jù)搭接位置和面積選取節(jié)點(diǎn)并采用MPC單元進(jìn)行連接；采用ACM模擬點(diǎn)焊，輸入實(shí)際焊點(diǎn)的直徑；采用adhesives模擬涂膠；采用共節(jié)點(diǎn)的方式模擬T型部位的超聲波焊接。

3.2 計(jì)算結(jié)果

利用有限元軟件Nastran計(jì)算前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)，得到第1階頻率為22.1 Hz，振型為上下方向的彎曲振動(dòng)，如圖3所示。由于前保險(xiǎn)杠近似懸臂系統(tǒng)安裝在車身前端，加之集成了許多功能件，具有一定質(zhì)量，因此上下方向的彎曲振動(dòng)是其主要振型之一。

4 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，將三向加速度傳感器布置于非低階模態(tài)振型節(jié)點(diǎn)位置，并確保傳感器的位置和數(shù)量可描述保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的大致外形，以測量和記錄測點(diǎn)在整車坐標(biāo)系中的位置。本文所研究的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中布置了30個(gè)傳感器，包括車身側(cè)4個(gè)測量點(diǎn)、副車架上3個(gè)測量點(diǎn)、蒙皮上16個(gè)測量點(diǎn)、下腹板上6個(gè)測量點(diǎn)和小腿保護(hù)桿上1個(gè)測量點(diǎn)，見圖4和圖5。

考慮到保險(xiǎn)杠系統(tǒng)總成尺寸及特性，利用Maxwell互異性原理，采用錘擊法輸入能量，同時(shí)通過調(diào)整合適的輸入能量確定系統(tǒng)線性范圍，在系統(tǒng)線性范圍內(nèi)測得試驗(yàn)結(jié)果。

首次測量得到的原始狀態(tài)的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)頻響結(jié)果如圖6所示，可知試驗(yàn)的第1階模態(tài)為28.9 Hz，為彎曲振型。雖然第1階模態(tài)振型與有限元分析結(jié)果一致，但由于頻率與有限元分析結(jié)果相差達(dá)6.8 Hz，因此需要進(jìn)行試驗(yàn)與有限元模型對比研究。

5 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

5.1 模型狀態(tài)對比

通過對試驗(yàn)車狀態(tài)、整車CAD數(shù)模及有限元模型進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，在實(shí)車中，吸能塊在垂直和水平方向被緊密地?cái)D壓在前保險(xiǎn)杠蒙皮與防撞梁之間，小腿保護(hù)桿前端也與前保險(xiǎn)杠緊密接觸；在CAD數(shù)模中，吸能塊與防撞梁之間及小腿保護(hù)桿與前保險(xiǎn)杠蒙皮之間存在設(shè)計(jì)間隙，見圖7。

在設(shè)計(jì)前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，為保證部件之間的配合會(huì)留有一定間隙，以便吸收制造偏差，避免在裝配過程中發(fā)生干涉，影響功能實(shí)現(xiàn)或造成安全隱患[3]，通常吸能塊與防撞梁之間的設(shè)計(jì)間隙約為5 mm。而試驗(yàn)車上的吸能塊由于制造偏差的緣故吸收了間隙，與防撞梁密實(shí)壓緊。小腿保護(hù)桿與吸能塊的情況相同，在制造偏差的影響下與蒙皮發(fā)生了接觸。然而由于設(shè)計(jì)間隙的存在，在初始的有限元模型中并未考慮上述接觸關(guān)系。

5.2 接觸對模態(tài)試驗(yàn)的影響

為了在試驗(yàn)中考查吸能塊和小腿保護(hù)桿對前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)的貢獻(xiàn)量，設(shè)計(jì)了2組試驗(yàn):第1組試驗(yàn)去除吸能塊，第2組試驗(yàn)去除吸能塊和小腿保護(hù)桿。試驗(yàn)結(jié)果見表1、圖8和圖9。

表1 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果 Hz

由試驗(yàn)結(jié)果可知，去除吸能塊后，第1階模態(tài)頻率由28.9 Hz下降至24.6 Hz，其在該車型中對前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)的貢獻(xiàn)量為4.3 Hz，約占原始模型第1階頻率的15%；而去除吸能塊和小腿保護(hù)桿后，第1階頻率為24.9 Hz，比僅拆除吸能塊升高0.3 Hz，說明小腿保護(hù)桿對模態(tài)的貢獻(xiàn)量為負(fù)。

5.3 接觸對模態(tài)有限元分析的影響

為在有限元分析中考查吸能塊和小腿保護(hù)桿對前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)的貢獻(xiàn)量，采取去除吸能塊與同時(shí)去除吸能塊和小腿保護(hù)桿，并分別在考慮接觸和不考慮接觸2種情況下進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果 Hz

由表2可知，試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果的第1階頻率的振型均一致，為彎曲模態(tài)。當(dāng)考慮接觸時(shí)，頻率的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高；不考慮接觸時(shí)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大。

當(dāng)原始模型中未考慮吸能塊和小腿保護(hù)桿與周邊零件的接觸時(shí)，模態(tài)計(jì)算值為22.1 Hz；當(dāng)考慮接觸后，模態(tài)計(jì)算值為28.3 Hz，與試驗(yàn)結(jié)果僅相差0.6 Hz。進(jìn)一步分析吸能塊和小腿保護(hù)桿對模態(tài)的貢獻(xiàn)量，先拆除吸能塊，并考慮小腿保護(hù)桿接觸蒙皮，則計(jì)算結(jié)果為24.8 Hz，與試驗(yàn)結(jié)果僅相差0.2 Hz；然后同時(shí)拆除吸能塊和小腿保護(hù)桿，計(jì)算結(jié)果為24.1 Hz，與試驗(yàn)結(jié)果相差0.8 Hz。

由上述可知，吸能塊的接觸導(dǎo)致第1階模態(tài)頻率上升3.5 Hz，貢獻(xiàn)量達(dá)12.4%；小腿保護(hù)桿的接觸使得第1階模態(tài)頻率上升2.4 Hz，貢獻(xiàn)量達(dá)8.5%。由此表明吸能塊和小腿保護(hù)桿在前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中的接觸關(guān)系對提高模態(tài)頻率起了很大作用。

6 結(jié)束語

通過對某車型前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，研究了接觸在前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)分析中的貢獻(xiàn)量，結(jié)果表明:

a.汽車前保險(xiǎn)杠中部件之間的接觸關(guān)系對模態(tài)結(jié)果有很大影響。在有限元模型中適當(dāng)考慮吸能塊和小腿保護(hù)桿與防撞梁和蒙皮的接觸，可顯著提高計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度以及有限元模型的可靠性。

b.在進(jìn)行模態(tài)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性分析時(shí)，除要檢查主要零件清單及主要連接部位外，還應(yīng)考慮產(chǎn)品實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)之間的差異，并據(jù)此修正有限元模型，保證分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性。

1 黃金陵主編.汽車車身設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

2 G.R.Liu，S.S.Quek，著；龍述堯，等譯.有限元法實(shí)用教程.長沙:湖南大學(xué)出版社，2004.

3 曹渡主編.汽車內(nèi)外飾設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.