趙婷婷 汪霞 王昌富

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司）

基于頻率響應(yīng)法的后視鏡振動(dòng)光學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)化

趙婷婷 汪霞 王昌富

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司）

為了解決某項(xiàng)目后視鏡光學(xué)穩(wěn)定性試驗(yàn)中出現(xiàn)的失效問(wèn)題，采用基于頻率響應(yīng)法的CAE方法模擬了光學(xué)穩(wěn)定性試驗(yàn)。建立了頻率響應(yīng)分析流程，通過(guò)試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比可知，采用頻率響應(yīng)分析得出的共振頻率與位移響應(yīng)差異較小，準(zhǔn)確再現(xiàn)了失效問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了分析方法的準(zhǔn)確性和改進(jìn)方案的有效性。

1 前言

在車(chē)輛行駛過(guò)程中，路面激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)激勵(lì)都會(huì)引起車(chē)身振動(dòng)，進(jìn)而造成后視鏡產(chǎn)生一定程度的振動(dòng)，嚴(yán)重的振動(dòng)會(huì)造成后方視野模糊不清，導(dǎo)致駕駛員因判斷失誤而引發(fā)事故[1]。

后視鏡振動(dòng)光學(xué)穩(wěn)定性一般由臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)評(píng)估，目前沒(méi)有成熟的CAE仿真方法模擬該試驗(yàn)。本文結(jié)合某一項(xiàng)目后視鏡試驗(yàn)失效案例，對(duì)該性能進(jìn)行了CAE方法研究和對(duì)標(biāo)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)后視鏡優(yōu)化效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 后視鏡振動(dòng)光學(xué)穩(wěn)定性試驗(yàn)

光學(xué)穩(wěn)定性試驗(yàn)常用的設(shè)計(jì)要求是垂直加速度0.5 g時(shí)，后視鏡偏移角小于0.13°。

2.1 失效案例

在后視鏡光學(xué)穩(wěn)定性試驗(yàn)中，將后視鏡安裝在模擬實(shí)車(chē)安裝狀態(tài)的夾具上，對(duì)其施加一個(gè)垂直加速度為0.5 g的激勵(lì)，頻率在20～250Hz之間，同時(shí)向鏡面發(fā)射激光束，光線經(jīng)后視鏡反射后到達(dá)目標(biāo)靶。激光束由振動(dòng)改變而產(chǎn)生的偏移角用距離1720 mm的目標(biāo)靶上測(cè)得位移值來(lái)表現(xiàn)。

在某后視鏡研發(fā)過(guò)程中，后視鏡振動(dòng)光學(xué)穩(wěn)定性試驗(yàn)失效。12個(gè)樣本平均共振頻率為66 Hz，光斑平均位移值為11 mm，即平均振動(dòng)角度為0.18°，超出設(shè)計(jì)目標(biāo)值。

2.2 試驗(yàn)原理和仿真分析技術(shù)路線

后視鏡抖動(dòng)主要包括后視鏡自身運(yùn)動(dòng)副造成的抖動(dòng)和后視鏡本身剛度不足引發(fā)的抖動(dòng)，且后視鏡自身運(yùn)動(dòng)副通常是后視鏡抖動(dòng)的主要原因。因此，首先檢查了運(yùn)動(dòng)副的設(shè)計(jì)狀態(tài)，加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)副剛度后再次進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果基本無(wú)變化。因此，本文主要關(guān)注后視鏡本身的剛度。

該后視鏡鏡面曲率半徑r=1 200 mm左右，遠(yuǎn)大于鏡面尺寸，本文將球面鏡簡(jiǎn)化為平面鏡。根據(jù)光的反射原因，可將光斑大小轉(zhuǎn)換為后視鏡自身的抖動(dòng)幅值，如圖1所示，其中，反射光線的夾角等于法線夾角的2倍。

圖1中，O為后視鏡的固定約束點(diǎn)，根據(jù)幾何關(guān)系可以得出以下公式:

式中，θ1為鏡面繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，即后視鏡鏡面法向夾角；θ2為后視鏡鏡片中心的偏移角，即反射光線夾角；d為后視鏡鏡面振動(dòng)位移；d為目標(biāo)靶上的振動(dòng)位移；L1為后視鏡鏡片中心到固定約束點(diǎn)的距離；L2為后視鏡鏡面中心到目標(biāo)靶的距離。

本文采用頻率響應(yīng)分析方法來(lái)再現(xiàn)試驗(yàn)。由于后視鏡結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，內(nèi)部存在運(yùn)動(dòng)副，而且其材料多為各向異性的塑料，因而后視鏡有限元模型需要和試驗(yàn)不斷對(duì)標(biāo)調(diào)整。圖2詳細(xì)描述了本文的技術(shù)路線。

3 仿真分析和試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

3.1 后視鏡有限元模型的建立

后視鏡由10余個(gè)零件組裝而成，主要結(jié)構(gòu)及材料如圖3所示。在Hypermesh的OptiStruct模塊下建立后視鏡的有限元模型，其中，護(hù)罩、鏡殼、鏡框、裝飾罩和鏡托板及鏡片等厚度均勻的零件采用殼單元建模，單元基本尺寸為3mm；支座、基板和密封圈等采用體單元建模，為了更好的表達(dá)加強(qiáng)筋、倒角和卡扣等處的結(jié)構(gòu)特征，本文采用了四面體單元，單元基本尺寸為1 mm。RBE2單元用來(lái)模擬各個(gè)卡扣和螺栓連接。全部模型有759826個(gè)單元，有限元模型如圖4所示。

后視鏡在承受車(chē)身縱向載荷時(shí)可以繞銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，銷(xiāo)軸局部結(jié)構(gòu)如圖5所示。銷(xiāo)軸內(nèi)部有螺旋彈簧，通過(guò)銷(xiāo)軸連接支座和基板。由于后視鏡在垂向激勵(lì)情況下銷(xiāo)軸不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，本文中的有限元模型將銷(xiāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副固接，以簡(jiǎn)化模型。

表1給出了后視鏡結(jié)構(gòu)材料的主要性能參數(shù)。

表1 材料性能參數(shù)表

3.2 有限元模型的模態(tài)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，在后視鏡與車(chē)身連接處約束全部自由度進(jìn)行模態(tài)分析，前3階頻率值與振型如圖6所示，與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表2所列。

表2 模態(tài)仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

根據(jù)表2可知，后視鏡仿真振型與試驗(yàn)振型基本一致，但仿真頻率值明顯大于試驗(yàn)值，即后視鏡仿真模型比實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度偏大。

3.3 模態(tài)分析模型的影響因素研究

根據(jù)模態(tài)基礎(chǔ)理論可知，系統(tǒng)質(zhì)量越大，模態(tài)頻率越?。幌到y(tǒng)剛度越大，模態(tài)頻率越小[3]。在模型質(zhì)量與實(shí)際零件質(zhì)量一致的前提下，模型剛度偏大的可能原因如下:邊界約束方式剛度偏大；單元?jiǎng)偠绕螅ㄟB接單元和實(shí)體單元；材料剛度偏大。

邊界約束方式:后視鏡采用3個(gè)螺栓螺接在工裝上，目前采用RBE2單元模擬螺栓連接，并約束安裝點(diǎn)所有自由度。本文排除該約束方式對(duì)后視鏡整體模態(tài)的影響。

單元類(lèi)型:模型中銷(xiāo)軸內(nèi)部的彈簧單元在原始分析中簡(jiǎn)化為剛性連接，為研究其影響，改為彈簧單元，賦予實(shí)際剛度。如圖7所示，改動(dòng)后后視鏡第1階模態(tài)頻率值下降2.3 Hz。原始分析中，實(shí)體采用四面體1階單元模擬。四面體1階單元只有4個(gè)積分點(diǎn)，單元?jiǎng)偠绕?，但?jì)算時(shí)間短，效率較高。四面體2階單元有10個(gè)積分點(diǎn)，能更好的模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)，但自由度增多，計(jì)算效率明顯下降。從圖7還可以看出，采用2階單元后，第1階模態(tài)頻率值下降10.2 Hz，由此可見(jiàn)，該單元積分類(lèi)型影響很大。經(jīng)過(guò)上述兩點(diǎn)修改，第1階模態(tài)頻率下降至69.1 Hz。

材料屬性:后視鏡中的基板材料為尼龍66含50%玻璃纖維（PA66+GF50），屬于各項(xiàng)異性材料。各項(xiàng)異性材料的特性是力-位移曲線與加載方向密切相關(guān)，加載力方向沿玻璃纖維長(zhǎng)度方向時(shí)，剛度較高，加載力方向垂直于玻璃纖維長(zhǎng)度方向時(shí)，剛度較低，如圖8所示。為了簡(jiǎn)化各項(xiàng)異性材料屬性的建模，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用各項(xiàng)同性的材料建模方式來(lái)模擬各項(xiàng)異性材料，因此其彈性模量需要調(diào)整。目前得到的PA66+ GF50的彈性模量為12 000 MPa，圖9中為各種不同彈性模量對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率值。根據(jù)圖9可知，PA66+ GF50彈性模量縮減30%與試驗(yàn)結(jié)果一致。

根據(jù)以上對(duì)系統(tǒng)模態(tài)頻率影響因子的研究，調(diào)整了單元類(lèi)型和各項(xiàng)異性材料的彈性模量，最終分析模態(tài)第1階頻率值與試驗(yàn)值一致。對(duì)前3階模態(tài)頻率進(jìn)一步對(duì)比如表3所示。

表3 調(diào)整后模態(tài)仿真與試驗(yàn)對(duì)比

由表3可知，調(diào)整后模型前3階頻率值與試驗(yàn)值的差異滿足要求，該模型可以用于后視鏡頻率響應(yīng)分析。

3.4 后視鏡頻率響應(yīng)分析

在后視鏡與車(chē)身連接處約束全部自由度，在連接處施加0.5 g振動(dòng)激勵(lì)，振動(dòng)頻率范圍為20～250 Hz。采用頻率響應(yīng)分析對(duì)臺(tái)架振動(dòng)光學(xué)穩(wěn)定性試驗(yàn)進(jìn)行模擬。頻率響應(yīng)分析方法有直接頻率響應(yīng)與模態(tài)頻率響應(yīng)2種方法，其中，模態(tài)頻率響應(yīng)利用結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型來(lái)對(duì)耦合的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行縮減和解耦，求解效率高。本文由于模型計(jì)算量較大，采用高效的模態(tài)頻率響應(yīng)方法。模態(tài)阻尼系數(shù)g設(shè)定直接影響系統(tǒng)振幅，圖10為不同模態(tài)阻尼系數(shù)下后視鏡鏡面中心振動(dòng)響應(yīng)幅值曲線。

根據(jù)圖10可取得不同阻尼下的共振峰值，根據(jù)公式（1）～公式（3），后視鏡固定點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)距離L1=216 mm，計(jì)算出不同阻尼下的后視鏡振動(dòng)旋轉(zhuǎn)角和目標(biāo)靶上振動(dòng)位移如表4所列。由表4可得，模態(tài)阻尼系數(shù)設(shè)定為0.04時(shí)，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最接近。因此，本文認(rèn)為針對(duì)后視鏡系統(tǒng)，模態(tài)阻尼系數(shù)設(shè)定為0.04時(shí)比較合理，可以在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化分析。

表4 不同阻尼下的頻響分析結(jié)果

4 后視鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)證

4.1 后視鏡優(yōu)化方案

首先通過(guò)查看應(yīng)力云圖來(lái)尋找設(shè)計(jì)薄弱區(qū)。原設(shè)計(jì)的后視鏡基座和基板在共振情況下應(yīng)力云圖如圖11所示。加強(qiáng)應(yīng)力集中位置的剛度有利于提高共振頻率，進(jìn)而減小測(cè)量點(diǎn)的共振位移。

根據(jù)分析結(jié)果可知，應(yīng)力集中處于部分加強(qiáng)筋根部。綜合考慮修模成本和時(shí)間，最終確定的改進(jìn)方案一是增強(qiáng)已有加強(qiáng)筋高度和厚度，二是在可以加強(qiáng)的位置增加加強(qiáng)筋，具體方案見(jiàn)圖12和圖13。

4.2 后視鏡優(yōu)化方案驗(yàn)證

表5為優(yōu)化前、后的CAE仿真結(jié)果對(duì)比。根據(jù)該優(yōu)化方案，對(duì)后視鏡進(jìn)行了樣件試驗(yàn)，表6給出了優(yōu)化方案CAE仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的差異。從表5和表6可見(jiàn)，CAE分析的準(zhǔn)確度很高，改進(jìn)方案效果很好。

表5 優(yōu)化前、后CAE仿真分析結(jié)果對(duì)比

表6 CAE仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

采用頻率響應(yīng)分析方法有效解決了某項(xiàng)目中后視鏡光學(xué)振動(dòng)穩(wěn)定性失效問(wèn)題。介紹了光學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)原理，通過(guò)CAE方法再現(xiàn)了該試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比可知，采用頻率響應(yīng)分析得出的共振頻率與位移響應(yīng)差異較小，能較準(zhǔn)確的再現(xiàn)問(wèn)題。此外，該分析流程應(yīng)用在后視鏡開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，可以在設(shè)計(jì)前期掌控后視鏡光學(xué)穩(wěn)定性這一重要性能，避免設(shè)計(jì)后期進(jìn)行模具修改。

1唐乾.后視鏡的使用學(xué)問(wèn).汽車(chē)運(yùn)用，2007，5:7～8.

2蘭靛靛.基于實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的后視鏡結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)修改.噪聲與振動(dòng)控制.2008，10:120～121.

3傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用.上海:上海交通大學(xué)出版社，2000.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年11月1日。

Optical vibration Stability Optimization of Rearview Mirror Base on the Frequency Response Method

Zhao Tingting，Wang Xia，Wang Changfu
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd）

In order to find the cause of optical stability failure of rearview mirror of a vehicle in the validation test，we use frequency response-based CAE method to simulate the optical stability test and establish the analysis process of the frequency response.It is known from comparison between test and simulation results that the resonance frequency obtained from frequency response analysis differs slightly from displacement response，which accurately reproduces the failure，from which we put forward a corresponding solution.Finally，we use test to verify the accuracy of the analysis method and the effectiveness of the solution.

Rearview mirror，Vibration frequency response，Optical stability

后視鏡振動(dòng)頻率響應(yīng)光學(xué)穩(wěn)定性

U463.85+6

A

1000-3703（2014）12-0009-04