汽車儀表板敲擊異響仿真分析及優(yōu)化

王亞超 郝耀東 李琦 宋睿

摘 要：在汽車異響問題中，內(nèi)飾件異響占50%以上，其中儀表板異響問題約占汽車異響的25%左右。文章利用HyperMesh的SNRD模塊，結(jié)合瞬態(tài)響應(yīng)分析方法對儀表板進(jìn)行敲擊異響分析。根據(jù)分析結(jié)果，利用HyperStudy的DOE方法，驗證了異響邊界相對位移與卡扣的相關(guān)性，并對儀表板的主駕下飾板進(jìn)行了優(yōu)化。文章預(yù)測了儀表板敲擊異響發(fā)生的風(fēng)險，為后期的敲擊異響試驗提供了參考，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，消除了儀表板的一部分敲擊異響問題。

關(guān)鍵詞：儀表板;敲擊異響;仿真分析;相對位移;相關(guān)性

中圖分類號：U463.83+7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-202-04

Simulation Analysis and Optimization of Rattle of Automobile Instrument Panel

Wang Yachao， Hao Yaodong， Li Qi， Song Rui

（CATARC（Tianjin）Automotive Engineering Research Institute Co.， Ltd， Tianjin 300300）

Abstract：?In the problem of automobile BSR， the interior parts BSR accounts for more than 50%， and the instrument panel BSR accounts for about 25% of the automobile BSR. The SNRD module of HyperMesh and the transient response analysis method are used to analyze the rattle of the instrument panel in this paper.?According to the analysis results， using the DOE method of HyperStudy， the correlation between the relative displacement of the BSR boundary and the buckle is verified，?and the trim panel under the driver's side of the instrument panel is optimized.?In this paper， the risk of the instrument panel rattle is predicted， which provides a reference for the later rattle test. Through structural optimization， some rattle problems of the instrument panel are eliminated.

Keywords：?Instrument panel; Rattle; Simulation analysis; Relative displacement; Correlation

CLC NO.： U463.83+7 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-202-04

前言

隨著汽車技術(shù)的提高，顧客對汽車舒適性的要求也越來越高，NVH性能是衡量汽車舒適性的重要指標(biāo)，汽車異響也成為了影響汽車質(zhì)量的重要因素。汽車異響是一種由低頻振動（<100Hz）引起高頻噪聲（1kHz-8kHz）的振動，是汽車NVH問題的重要組成部分，主要是指在外力作用下，兩個或多個部件表面發(fā)生了敲擊或摩擦而發(fā)出的聲音，也可能是由單個結(jié)構(gòu)振動而產(chǎn)生的聲音，包括Buzz，Rattle和Squeak，簡稱BSR。Rattle指敲擊異響，由于零部件剛度不足、間隙不合理和裝配不到位等問題產(chǎn)生的。Squeak指摩擦異響，由于零部件材料不兼容而造成不穩(wěn)定的黏滑運動而產(chǎn)生的。

異響仿真分析是在設(shè)計階段預(yù)測異響的一種重要手段，可以預(yù)測出由設(shè)計缺陷而引起的異響，仿真分析對象可以為關(guān)鍵零部件或整車系統(tǒng)。異響仿真分析方法可以分為間接法和直接法，間接法包括模態(tài)分析、剛度分析和傳遞函數(shù)分析;直接法就是在實際載荷條件下，計算零部件間的相對位移，將相對位移與零部件之間的間隙比較，分析發(fā)生異響風(fēng)險的大小，并判斷出異響邊界的位置，直接法包括敲擊異響和摩擦異響兩種分析方法。Jens Weber提出了利用零部件間相對位移來預(yù)測異響的E-Line仿真分析方法^[1]。北京希艾益科技有限公司的魏秋君利用模態(tài)分析和傳遞函數(shù)分析兩種間接法對儀表板進(jìn)行了仿真分析^[2]。天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的俞云云利用直接法對汽車的車門進(jìn)行了敲擊異響仿真分析^[3]。廣汽汽車工程研究院的朱文斌通過增大安全帶卷收器的安裝點剛度，消除了安全帶卷收器的敲擊異響^[4]。

目前異響的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案基本上是改變異響邊界位置的結(jié)構(gòu)，如增加限位筋和卡扣等，缺乏優(yōu)化方案實施前的可信性，有可能造成時間上的浪費，達(dá)不到理想的優(yōu)化結(jié)果。本文利用試驗設(shè)計（Design of Experiment，簡稱DOE）分析方法，將卡扣剛度值作為設(shè)計變量，驗證了卡扣剛度值對異響邊界上節(jié)點對的相對位移的重要性，為更換卡扣類型、增加卡扣數(shù)量和改變卡扣結(jié)構(gòu)等優(yōu)化方案提供了數(shù)據(jù)支撐作用。

本文采用直接法利用整車模型對儀表板進(jìn)行敲擊異響分析。首先利用HyperMesh建立儀表板的有限元模型，利用SNRD模塊創(chuàng)建載荷工況，在Optistruct中求解計算，將計算結(jié)果在HyperView中查看，并評估異響發(fā)生的風(fēng)險，然后利用HyperStudy驗證相對位移與卡扣剛度值的關(guān)系，最后對儀表板進(jìn)行優(yōu)化。

1?儀表板有限元模型的建立

儀表板主要包括儀表板本體、儀表板橫梁、手套箱、儀表板飾板和儀表板蓋板等。為使得儀表板敲擊異響仿真分析的結(jié)果具有真實性，本文建立較精確的儀表板有限元模型，并將儀表板模型連接在內(nèi)飾車身模型上。將儀表板的CATIA模型導(dǎo)入到HyperMesh中，首先進(jìn)行幾何清理，然后采用殼單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為3mm*3mm，網(wǎng)格總數(shù)為1025408。為保證網(wǎng)格的質(zhì)量，還需對網(wǎng)格單元進(jìn)行質(zhì)量檢查和修改。創(chuàng)建材料和屬性，材料參數(shù)包括彈性模量E、泊松比NU和密度RHO等，屬性參數(shù)為厚度T，并將各個材料和屬性賦予相應(yīng)的組件。創(chuàng)建連接單元，主要包括剛性單元RBE2和彈簧單元CBUSH，分別用于模擬螺栓和卡扣，卡扣剛度由試驗測得，z向為1033N/mm，x向和y向均為516.5N/mm，建立完成的儀表板有限元模型如圖1所示，將儀表板模型連接到車身上，完成模型搭建。

2?敲擊異響仿真分析

打開HyperMesh的SNRD模塊，將建立完成的整車模型和DTS文件導(dǎo)入，由于本文不做摩擦異響仿真分析，Materail Data文件可以選擇默認(rèn)文件。創(chuàng)建儀表板的主駕下飾板上的4條幾何線，為生成E-Line，分別選擇每條幾何線對應(yīng)的主、從組件，并設(shè)置生成E-Line的公差和E-Line上的節(jié)點對的距離。E-Line由主、從組件上的節(jié)點對組成，每個節(jié)點對上的節(jié)點之間由CBUSH單元連接，以垂直于主組件為z軸的局部坐標(biāo)系為坐標(biāo)系，z軸與兩節(jié)點之間的連線的夾角越小，計算結(jié)果越精確。由于異響只關(guān)注0-80Hz，所以將模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析的頻率設(shè)置為0-80Hz，不必設(shè)置模態(tài)階數(shù)。

根據(jù)實際的工況創(chuàng)建加載點和加載方向，本文以車身減震器的4個安裝點為加載點，每個加載點對應(yīng)3個方向x、y和z，設(shè)置加載類型為Enforced displacement，導(dǎo)入的時域激勵路譜為繩索路激勵。最后進(jìn)行增量步和阻尼的設(shè)置，并定義響應(yīng)輸出為位移，導(dǎo)出文件在Optistruct中進(jìn)行求解。

求解完成后，利用HyperView查看分析結(jié)果，在導(dǎo)入求解結(jié)果后，需設(shè)置統(tǒng)計計算的百分比，由于異響仿真分析的結(jié)果是兩零部件之間節(jié)點對的相對位移，故在路譜激勵下，一段時間內(nèi)某節(jié)點對的相對位移越大，越容易發(fā)生敲擊異響，所以需關(guān)注這段時間內(nèi)較大的相對位移，將節(jié)點對在一段時間內(nèi)的相對位移由大到小排序，選取位移較大的30%作為分析結(jié)果，各個邊界的相對位移柱狀圖如圖2所示。

從圖2可以看出，每條邊界相對位移的大小和排序情況，此圖中相對位移是3個方向的相對位移。敲擊異響只關(guān)注敲擊方向的相對位移，即局部坐標(biāo)系的z向。將邊界在敲擊方向的相對位移與DTS數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，觀察是否存在可能發(fā)生異響的邊界，各個邊界的相對位移如圖3所示。

根據(jù)每條邊界的相對位移，找到邊界上相對位移最大的節(jié)點對，得到最大相對位移，計算出異響發(fā)生的風(fēng)險率，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

將風(fēng)險率按<1%，1%-30%，>30%劃分為三類。風(fēng)險率<1%，可認(rèn)為無異響發(fā)生的風(fēng)險;風(fēng)險率在1%-30%之間，認(rèn)為異響發(fā)生的風(fēng)險較小;風(fēng)險率>30%，認(rèn)為異響發(fā)生的風(fēng)險較大，所以需對異響風(fēng)險率>1%的邊界進(jìn)行優(yōu)化。由表1中的數(shù)據(jù)可知，只有邊界80010的敲擊異響風(fēng)險率大于1%，只需對邊界80010進(jìn)行優(yōu)化。

3?相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是一種利用數(shù)值方法評價兩個變量間關(guān)聯(lián)程度的方法，變化區(qū)間為[-1，0]或[0，1]，0代表隨機(jī)相關(guān)，1代表完全線性相關(guān)，-1代表完全負(fù)線性相關(guān)。針對主駕下飾板的邊界80010有發(fā)生異響的風(fēng)險，可以分析主駕下飾板的彈性模量、結(jié)構(gòu)形狀和卡扣剛度等多個因素對異響邊界相對位移大小的影響，可以利用HyperStudy的DOE方法對其進(jìn)行驗證。

由于模型較復(fù)雜、計算時間較長等原因，本文只對節(jié)點對相對位移與卡扣剛度值的相關(guān)性進(jìn)行分析，敲擊異響只關(guān)注z方向，故只將卡扣的z向剛度值作為變量。在HyperStudy中選取主駕下飾板的異響邊界80010的兩個節(jié)點對80002-81002和80006-81006，節(jié)點對上兩節(jié)點的最大相對位移可表示為max（abs（v1-v2）），此相對位移表示在繩索路激勵下的最大瞬時相對位移，與評價異響風(fēng)險的相對位移有所區(qū)別。得到兩節(jié)點對的相對位移與卡扣z向剛度值的線性相關(guān)性分析結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，兩個節(jié)點對的相對位移與卡扣的z向剛度值均呈負(fù)線性相關(guān)，說明卡扣z向剛度值越大，邊界上節(jié)點對的相對位移越小。

4?結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對汽車內(nèi)飾件的異響問題，優(yōu)化方案主要包括控制零部件間的間隙、進(jìn)行隔斷處理、強(qiáng)化結(jié)構(gòu)、更換材料和可靠固定等^[5]。吉林大學(xué)石建策重點研究了彈性模量對異響的影響，對儀表板的主要材料PP+EPDM-T20進(jìn)行彈性模量修正，得到的仿真模態(tài)頻率及振型與試驗頻率及振型相一致，并將修正后的彈性模量用于儀表板的異響仿真分析中^[6]。

針對主駕下飾板異響邊界80010的相對位移與卡扣z向剛度值大小呈負(fù)線性相關(guān)的特性，可從更換剛度值較大的卡扣和增加卡數(shù)量兩個方面對其進(jìn)行優(yōu)化。本文在邊界80010的節(jié)點對80002-81002的附近增加一個卡扣，定義其x和y向的剛度值為516.5N/mm，z向剛度值為1033N/mm。再次對儀表板進(jìn)行敲擊異響仿真分析，得到邊界80010的最大相對位移為0.10mm，風(fēng)險率<1%，優(yōu)化效果明顯，優(yōu)化后，可認(rèn)為此邊界已無異響風(fēng)險。

5?結(jié)論

本文利用繩索路激勵對儀表板的主駕下飾板下上的4條邊界進(jìn)行敲擊異響仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果得到了各個邊界異響發(fā)生的風(fēng)險率。驗證了邊界上節(jié)點對的相對位移與卡扣z向剛度值呈負(fù)線性相關(guān)的關(guān)系，得到了卡扣z向的剛度值越大，相對位移越小，增強(qiáng)了更換卡扣類型、增加卡扣數(shù)量和改變卡扣結(jié)構(gòu)等優(yōu)化方案的可靠性。對主駕下飾板上異響

風(fēng)險率大于1%的邊界80010進(jìn)行了優(yōu)化，使得優(yōu)化后的邊界消除了異響發(fā)生的風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)

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[3] 俞云云，崔世海，李琦.汽車車門敲擊異響分析[J].汽車實用技術(shù)， 2019（23）：138-140.

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[6] 石建策.汽車儀表板異響CAE分析技術(shù)研究[D].吉林大學(xué)， 2017.