仪表板横梁模态有限元分析

宋起龙
东风汽车公司技术中心  武汉  430058

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4 一阶模态为29.6Hz                      图5 一阶模态为32Hz

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。

7参考文献

[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
[4] 汽车工程手册 人民交通出版社，2001
[5] 刘惟信  汽车车桥设计.清华大学出版社，2003

The Modal Analysis of the CCB
Song Qilong

Abstract: By using HyperMesh, validate theCCB modal, find out the first frequency .Through contrast the target of the judge，raise the  improvemen of the model. validated again. the results indicate that the modified shell can satisfy the requirments.
Key words:   Optimization  CCB  Modal