基于ANSYS的汽車儀表板橫梁焊接支架模態(tài)分析

周方明，顏 益，蘇 晨，池金波

（1.江蘇科技大學(xué)先進(jìn)焊接技術(shù)省級重點實驗室，江蘇鎮(zhèn)江，212003；

2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海，201201；3.上海和達(dá)汽車配件有限公司，上海，201712）

基于ANSYS的汽車儀表板橫梁焊接支架模態(tài)分析

周方明1，顏 益1，蘇 晨2，池金波3

（1.江蘇科技大學(xué)先進(jìn)焊接技術(shù)省級重點實驗室，江蘇鎮(zhèn)江，212003；

2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海，201201；3.上海和達(dá)汽車配件有限公司，上海，201712）

采用有限元分析軟件ANSYS對汽車儀表板橫梁焊接支架進(jìn)行模態(tài)分析，得到支架的前6階固有頻率和振型。結(jié)果表明，橫梁支架低階固有頻率遠(yuǎn)離汽車發(fā)動機(jī)的怠速激振頻率，不會出現(xiàn)整體共振現(xiàn)象；橫梁支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，要重點考慮駕駛艙面板左右安裝支架、中部左右連接支架以及離合器踏板支架等構(gòu)件。

模態(tài)分析；汽車儀表板橫梁焊接支架；固有頻率；振型；ANSYS

結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是汽車新產(chǎn)品開發(fā)中結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容。結(jié)構(gòu)模態(tài)，尤其是結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)，不僅反映了汽車車身及各橫梁支架的整體剛度性能，也是控制汽車常規(guī)振動的關(guān)鍵指標(biāo)。汽車儀表板橫梁采用焊接工藝制造，焊縫較多，其承載性能至關(guān)重要。因此，本文采用ANSYS軟件建立汽車儀表板橫梁焊接支架的有限元模型，通過模態(tài)分析確定其低階振型和頻率，以期為儀表板橫梁支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 汽車儀表板橫梁支架有限元模型

汽車儀表板橫梁支架大多采用低碳鋼和低合金鋼制成，本文研究的儀表板橫梁支架材質(zhì)為CR340，其構(gòu)件較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個構(gòu)件之間通過焊縫連接，如圖1所示。

圖1 汽車儀表板橫梁支架的幾何模型Fig.1 Geometric model of the cross car beam

建立儀表板橫梁支架有限元模型時，為使兩零件單元能在焊縫處過渡，在開始劃分網(wǎng)格時就將焊縫考慮到模型拓?fù)潢P(guān)系中，并由此對幾何模型進(jìn)行劃分，如圖2所示，焊縫附近溫度梯度比較大，可以采用比較小的單元尺寸；離焊縫較遠(yuǎn)處溫度梯度較小，采用較大的單元尺寸；對焊縫處單獨進(jìn)行網(wǎng)格劃分。焊縫單元的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

儀表板橫梁支架有限元建模選用具有6個節(jié)點的Solid185單元，模型共包含415 961個單元、633 827個節(jié)點，這樣既可保證計算精度又能減少計算量，橫梁支架有限元模型如圖4所示。

圖2 焊縫拓?fù)鋭澐諪ig.2 Topology partition of the weld

圖3 焊縫單元網(wǎng)格劃分Fig.3 Element mesh of the weld

圖4 汽車儀表板橫梁支架的有限元模型Fig.4 Finite element model of the cross car beam

2 模態(tài)分析

ANSYS提供了7種模態(tài)分析方法，本文選用子空間法（Subspace）［1－2］，通過幾種求解控制選項來控制子空間迭代過程。在汽車實際行駛中，高于10階的高頻振動比較少見，且高階振型對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性影響比較小，故在求解設(shè)置中取擴(kuò)展模數(shù)為6，以得到支架的前6階固有頻率。儀表板橫梁支架的前6階模態(tài)與振型如圖5所示。對前6階模態(tài)與振型進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

圖5 汽車儀表板橫梁支架的前6階模態(tài)與振型圖Fig.5 First six steps’modal and vibration mode of the cross car beam

表1 汽車儀表板橫梁支架自由模態(tài)分析結(jié)果Table 1 Modal analysis results of the cross car beam

在對汽車車架進(jìn)行模態(tài)分析時，其評價指標(biāo)一般有［3］：①車架低階頻率應(yīng)高于懸架下結(jié)構(gòu)的固有頻率，但同時一定要避開發(fā)動機(jī)怠速運轉(zhuǎn)頻率，以免發(fā)生整體共振現(xiàn)象；②車架彈性模態(tài)頻率應(yīng)盡量避開發(fā)動機(jī)正常工作的頻率范圍；③車架振型應(yīng)盡量光滑，避免有突變。而一般情況下，高速公路和較好的城市路面上，激振頻率多為1～3 Hz；因車輪不平衡引起的激振頻率一般低于11 Hz；發(fā)動機(jī)怠速時引起的激振頻率約為35 Hz，此激勵分量較大；汽車在正常行駛或以最高速度行駛時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高，激振頻率一般大于100 Hz。從表1中可以看出，橫梁支架的低階模態(tài)頻率處于合適的范圍內(nèi)，既遠(yuǎn)高于發(fā)動機(jī)怠速激振頻率，同時也避開了發(fā)動機(jī)正常工作的頻率范圍。另外，第1階到第2階、第3階到第4階的頻率變化比較大，因此在制造工藝允許的基礎(chǔ)上，可以通過適當(dāng)調(diào)整支架的尺寸或者形狀，使車架的固有頻率變化平緩、沒有突變。

3 結(jié)論

（1）汽車儀表板橫梁支架的低階模態(tài)頻率為55.031 Hz，處于合適的范圍內(nèi)，遠(yuǎn)離發(fā)動機(jī)怠速激振頻率。由于各階模態(tài)頻率值較大，故一般都為局部振動，不會發(fā)生共振。

（2）由汽車儀表板橫梁焊接支架前6階固有頻率和振型可知，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時要重點考慮駕駛艙面板左右安裝支架、中部左右連接支架以及離合器踏板支架等部件。

［1］ 蕭龍翔.振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析基礎(chǔ)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，1991：75－101.

［2］ 許本文，焦群英.機(jī)械振動與模態(tài)分析基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990：35－67.

［3］ 李麗.貨車車架CAE工程應(yīng)用研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2008.

ANSYS－based modality analysis of cross car beam

Zhou Fangming1，Yan Yi1，Su Chen2，Chi Jinbo3
（1.Provincial Key Laboratory of Advanced Welding Technology，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；2.Pan Asia Automotive Technical Center Co.，Ltd.，Shanghai 201201，China；3.Shanghai Heda Auto Accessory Co.，Ltd.，Shanghai 201712，China）

ANSYS，a finite element analysis software，was employed to analyze the modality of the cross car beam，and the first six－order inherent frequency and vibration mode of the beam were obtained.The results show that the excitation frequency of the low－order natural frequency of the cross car beam is far away from the car engine＇s idling excitation frequency，and therefore there will never be resonance.In optimizing the beam structure，special attention should be given to the cockpit panel mounting bracket，the connecting bracket in the center，the clutch pedal bracket，and other components.

modality analysis；cross car beam；inherent frequency；vibration mode；ANSYS

TG407

A

1674－3644（2012）03－0219－03

［責(zé)任編輯 尚 晶］

2011－12－08

上海青浦區(qū)產(chǎn)學(xué)研合作發(fā)展基金項目（QA5302000－2009－007）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目.

周方明（1964－），男，江蘇科技大學(xué)教授，博士.E－mail：zhoufangm＠263.net