□ 李春芳 □ 唐德虎 □ 閆 霄 □ 郭清超 □ 許佳鑫

比亞迪汽車有限公司 西安 710061

1 研究背景

汽車碰撞傳感器安裝點(diǎn)性能不足會(huì)導(dǎo)致安全氣囊點(diǎn)火出現(xiàn)不可預(yù)測的風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響乘員生命安全。李書陽等[1]應(yīng)用Radioss軟件,對(duì)某車型側(cè)碰傳感器安裝點(diǎn)的聲慣量性能進(jìn)行了評(píng)估。周政權(quán)等[2]應(yīng)用Nastran軟件,解決了某車型正碰傳感器安裝位置共振的問題。

筆者應(yīng)用頻率響應(yīng)仿真分析方法,參考對(duì)標(biāo)車型結(jié)構(gòu),結(jié)合性能、焊點(diǎn)數(shù)量、輕量化等確定某車型傳感器安裝位置的最優(yōu)方案,解決該車型正碰傳感器安裝位置聲慣量不足的問題[3-11]。

2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

動(dòng)剛度、加速度導(dǎo)納、聲慣量是汽車正碰、側(cè)碰、后碰傳感器和電子控制單元安裝位置剛度、振動(dòng)性能分析的主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

動(dòng)剛度計(jì)算式為:

K=F(2πf)2/a

(1)

式中:K為動(dòng)剛度;F為單位激勵(lì)力;a為響應(yīng)加速度;f為頻率。

碰撞傳感器安裝點(diǎn)位置動(dòng)剛度性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 動(dòng)剛度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

加速度導(dǎo)納計(jì)算式為:

(2)

式中:aIPI為加速度導(dǎo)納;Z為測點(diǎn)動(dòng)剛度;ω為測點(diǎn)原點(diǎn)響應(yīng)頻率。

聲慣量計(jì)算式為:

(3)

式中:J為聲慣量;Ax為X方向響應(yīng)加速度;Ay為Y方向響應(yīng)加速度;Az為Z方向響應(yīng)加速度。

聲慣量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示,聲慣量曲線落在對(duì)應(yīng)區(qū)域,表示結(jié)果合格或不合格。

圖1 聲慣量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)曲線

3 有限元分析

應(yīng)用Hypermesh軟件進(jìn)行前處理的某車型白車身有限元模型如圖2所示。

圖2 白車身有限元模型

白車身有限元模型基本網(wǎng)格尺寸為6 mm,包括白車身本體、管梁、電池包托盤、前后風(fēng)擋玻璃、三角窗玻璃、全景天窗。

邊界條件如下:在0～1 000 Hz頻率段內(nèi),在正碰傳感器的安裝點(diǎn)施加X、Y、Z方向的動(dòng)態(tài)單位激勵(lì)力。分析計(jì)算采用Optistruct求解器,Optistruct求解器具有完善的頻率響應(yīng)分析功能。在分析時(shí),采用直接頻率響應(yīng)法進(jìn)行求解,輸出激勵(lì)點(diǎn)的加速度響應(yīng)曲線,通過HyperGraph后處理軟件得到激勵(lì)點(diǎn)的聲慣量曲線。

根據(jù)布置需要,正碰傳感器安裝點(diǎn)位于前防撞梁安裝板上,安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 正碰傳感器安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)

原方案正碰傳感器安裝點(diǎn)聲慣量仿真結(jié)果如圖4所示。根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)曲線,左前正面碰撞傳感器安裝點(diǎn)X向聲慣量不合格,右前正面碰撞傳感器安裝點(diǎn)X向聲慣量也不合格。

圖4 原方案正碰傳感器安裝點(diǎn)聲慣量仿真結(jié)果

4 頻率響應(yīng)分析

由正碰傳感器安裝點(diǎn)聲慣量仿真結(jié)果可知,左安裝點(diǎn)和右安裝點(diǎn)在340～470 Hz頻率段內(nèi)X方向聲慣量超出目標(biāo)值,不滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

為了縮短仿真計(jì)算時(shí)間,提高效率,進(jìn)行正碰傳感器左安裝點(diǎn)、右安裝點(diǎn)在340～470 Hz頻率段內(nèi)X方向單位激勵(lì)下的頻率響應(yīng)分析。

正碰傳感器左安裝點(diǎn)X方向聲慣量峰值頻率為382 Hz,右安裝點(diǎn)X方向聲慣量峰值頻率為387 Hz,考察此頻率下的單元應(yīng)變能,頻率響應(yīng)分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 正碰傳感器安裝點(diǎn)頻率響應(yīng)分析結(jié)果

根據(jù)頻率響應(yīng)分析,發(fā)現(xiàn)正碰傳感器左、右安裝點(diǎn)X方向聲慣量不足的原因主要有兩點(diǎn)。

(1) 該車型前防撞梁安裝板材料為340/590DP、厚度為1.6 mm,加強(qiáng)筋形狀設(shè)計(jì)不合理,在某些頻率下,加強(qiáng)筋沒有起到加強(qiáng)作用。

(2) 正碰傳感器安裝在前防撞梁安裝板的單層鋼板上,與前縱梁前段之間的距離偏大,懸臂過長,導(dǎo)致安裝點(diǎn)剛度不足。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)正碰傳感器左、右安裝點(diǎn)X方向聲慣量不足的原因,結(jié)合車型特點(diǎn),提出三種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

5.1 優(yōu)化方案一

在考慮正碰傳感器布置要求的前提下,減小安裝點(diǎn)與前縱梁前段之間的距離。將前防撞梁安裝板材料340/590DP、厚度1.6 mm優(yōu)化為材料QSTE500TM、厚度2.5 mm,并增加加強(qiáng)筋。將前防撞梁后連接板材料340/590DP、厚度1.8 mm優(yōu)化為材料QSTE500TM、厚度2.5 mm。將前端模塊定位板材料340/590DP、厚度1.8 mm優(yōu)化為材料340/590DP、厚度2.0 mm。優(yōu)化方案一如圖6所示。

圖6 優(yōu)化方案一

5.2 優(yōu)化方案二

在考慮正碰傳感器布置要求的前提下,減小安裝點(diǎn)與前縱梁前段之間的距離。將前防撞梁安裝板材料340/590DP、厚度1.6 mm優(yōu)化為材料340/590DP、厚度2.0 mm。前防撞梁安裝加強(qiáng)板,材料為340/590DP,厚度為1.6 mm,通過兩個(gè)三層焊點(diǎn)與前縱梁前段、前封板搭接,通過一個(gè)兩層焊點(diǎn)與前縱梁前段搭接,通過六個(gè)兩層焊點(diǎn)與前防撞梁安裝板搭接。優(yōu)化方案二如圖7所示。

圖7 優(yōu)化方案二

5.3 優(yōu)化方案三

在考慮正碰傳感器布置要求的前提下,減小安裝點(diǎn)與前縱梁前段之間的距離。將前防撞梁安裝板材料340/590DP、厚度1.6 mm優(yōu)化為材料340/590DP、厚度2.0 mm。前防撞梁安裝加強(qiáng)板,材料為340/590DP,厚度為2.0 mm,通過兩個(gè)三層焊點(diǎn)與前縱梁前段、前封板搭接,通過兩個(gè)兩層焊點(diǎn)與前縱梁前段搭接,通過五個(gè)兩層焊點(diǎn)與前防撞梁安裝板搭接。將前端模塊定位板材料340/590DP、厚度1.8 mm優(yōu)化為材料340/590DP、厚度1.6 mm。優(yōu)化方案三如圖8所示。

圖8 優(yōu)化方案三

6 仿真驗(yàn)證

分別對(duì)優(yōu)化方案一、優(yōu)化方案二、優(yōu)化方案三開展聲慣量仿真分析,仿真分析結(jié)果如下。

6.1 優(yōu)化方案一

正碰傳感器安裝點(diǎn)優(yōu)化方案一聲慣量仿真結(jié)果如圖9所示,根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)曲線,正碰傳感器左、右安裝點(diǎn)聲慣量合格。

圖9 優(yōu)化方案一聲慣量仿真結(jié)果

6.2 優(yōu)化方案二

正碰傳感器安裝點(diǎn)優(yōu)化方案二聲慣量仿真結(jié)果如圖10所示,根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)曲線,正碰傳感器左安裝點(diǎn)聲慣量合格,正碰傳感器右安裝點(diǎn)聲慣量不合格。

圖10 優(yōu)化方案二聲慣量仿真結(jié)果

6.3 優(yōu)化方案三

正碰傳感器安裝點(diǎn)優(yōu)化方案三聲慣量仿真結(jié)果如圖11所示,根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)曲線,正碰傳感器左、右安裝點(diǎn)聲慣量合格。

圖11 優(yōu)化方案三聲慣量仿真結(jié)果

6.4 方案對(duì)比

對(duì)原方案、優(yōu)化方案一、優(yōu)化方案二、優(yōu)化方案三分別從材料、厚度和搭接尺寸、質(zhì)量、性能等方面進(jìn)行對(duì)比。

相比原方案,方案一性能合格,焊點(diǎn)數(shù)量未增加,質(zhì)量增大1.091 kg;方案二性能不合格,焊點(diǎn)數(shù)量增加九個(gè),質(zhì)量增大0.423 kg;方案三性能合格,焊點(diǎn)數(shù)量增加九個(gè),質(zhì)量增大0.484 kg。

從性能、焊點(diǎn)數(shù)量、輕量化等方面綜合評(píng)估,推薦優(yōu)化方案三。方案對(duì)比見表2。

表2 方案對(duì)比

7 試驗(yàn)驗(yàn)證

正碰傳感器安裝點(diǎn)聲慣量試驗(yàn)如圖12所示。將共振測試系統(tǒng)的三軸加速度傳感器布置在正碰傳感器的硬質(zhì)外殼上方位置,盡可能使三軸加速度傳感器三個(gè)坐標(biāo)方向與車輛坐標(biāo)系的三個(gè)方向一致。

圖12 正碰傳感器安裝點(diǎn)聲慣量試驗(yàn)

用小錘子沿X方向敲擊,由計(jì)算機(jī)端采集敲擊數(shù)據(jù)。將采集到的加速度信號(hào)經(jīng)過處理,得到測試結(jié)果。

優(yōu)化方案三正碰傳感器的敲擊試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 優(yōu)化方案三敲擊試驗(yàn)結(jié)果

虛線為合格線,試驗(yàn)結(jié)果表明正碰傳感器聲慣量滿足目標(biāo)要求,說明解決了正碰傳感器安裝點(diǎn)聲慣量不足的問題。

8 結(jié)束語

筆者應(yīng)用頻率響應(yīng)仿真方法,進(jìn)行某車型正碰傳感器左、右安裝點(diǎn)X方向聲慣量不合格的主要原因分析。根據(jù)原因分析,相應(yīng)提出三種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。應(yīng)用Optistruct求解器對(duì)不同的優(yōu)化方案進(jìn)行聲慣量曲線仿真對(duì)比,從性能、焊點(diǎn)數(shù)量、輕量化等方面綜合評(píng)估,確定采用優(yōu)化方案三。結(jié)合正碰傳感器安裝點(diǎn)聲慣量試驗(yàn),驗(yàn)證優(yōu)化方案的可靠性。

為了縮短仿真計(jì)算時(shí)間,提高效率,可以在風(fēng)險(xiǎn)頻率段內(nèi)某個(gè)方向單位激勵(lì)下進(jìn)行頻率響應(yīng)仿真分析,作為對(duì)傳感器安裝點(diǎn)聲慣量不合格原因進(jìn)行分析的一種方法。

可以依據(jù)原因分析、車型對(duì)標(biāo)等方法進(jìn)行傳感器安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

從零部件材料厚度、搭接關(guān)系、工藝可行性、性能、焊點(diǎn)數(shù)量、輕量化等多維度綜合評(píng)估正碰傳感器安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,尋找最優(yōu)解決方案。筆者提出了一種正碰傳感器安裝點(diǎn)聲慣量仿真優(yōu)化方法,為后續(xù)車型相關(guān)性能評(píng)估及優(yōu)化提供了參考。