某轻卡汽车仪表板模态分析

邢建 高志彬 陈守佳 蒋红敏 郝大亮

摘 要：采用Hypermesh有限元分析软件和Nastran求解器对汽车仪表板进行模态分析，得出前6阶固有频率及振型。结果表明，第1阶固有频率数值为21.06Hz，在目标值17～22Hz频率范围内，不会引起汽车怠速时共振，符合设计要求。文章所用方法对对后期仪表板的试验和优化提供了一定参考价值。

关键词：有限元分析；固有频率；振型；共振

中图分类号：U463.837 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）21-0056-02

Abstract： The modal analysis of the automobile dashboard is carried out by using Hypermesh finite element analysis software and Nastran solver， and the first six natural frequencies and vibration modes are obtained. The results show that the first order natural frequency is 21.06 Hz， which does not cause idle resonance in the frequency range of 17 to 22 Hz， which meets the design requirements. The method used in this paper provides a certain reference value for the test and optimization of the later dashboard.

Keywords： finite element analysis； natural frequency； vibration mode； resonance

引言

隨着计算机科学的快速发展，在现代车企中CAE技术的应用也越来越广泛。汽车仪表板作为汽车内饰件中关键的结构件之一，其舒适性与安全性尤为重要。仪表板作为大型板件结构件，其内部构造十分复杂，同时又有很多功能件安装在仪表板上，因此其振动噪声很难控制。在整车开发初期，仪表板的模态指标也成为了整车NVH性能评价的重要组成部分。

本文通过Hypermesh软件对仪表板进行建模，并计算其模态的低阶振型及频率，判断其是否符合设计要求，为整车试验设计及优化提供理论依据。

1 模态分析理论基础

在汽车行驶过程中，车身结构部件会受到动载荷的影响而引起振动。当激励频率与结构部件的固有频率接近时就会产生共振现象，影响整车的NVH性能[1]。计算模态频率的方法分为仿真模态和试验模态，本文主要利用CAE方法计算仿真模态[2]。

当系统自由度为N时，运动微分方程为：

M +C +KX=F（t） （1）

式中M表示质量矩阵；C表示阻尼矩阵；K表示刚度矩阵； 、 、X分别表示加速度、速度和位移向量；F（t）表示节点载荷矩阵。上式求得特征值和特征向量与系统描述固有振动特性的频率和振型相对应，在不考虑阻尼和外部载荷情况下，运动微分方程改写为[3]：

M +KX=0 （2）

假设式（2）中解的形式为简谐振动：

X=？准sin？棕t（3）

式中？准表示特征向量或振型；？棕表示系统圆频率。当？姿=？棕2时，将（3）式带入（2）式中得到系统的特征值方程：

（4）式具有非零解的唯一条件为矩阵行列式为零，即：

将（5）式展开可求出N个根？姿1，？姿2...？姿n，求得的平方根？棕1，？棕2...？棕n为系统中1，2...N的固有频率，与？姿1，？姿2...？姿n相对应的特征向量就是该系统的振动向量。

2 有限元模型建立

将仪表板三维模型导入Hypermesh软件中，首先对模型进行几何清理，去除多余的圆角、倒角并补齐部分缺失面，并对其进行质量检查[4]。对处理好的模型进行网格划分，整体结构采用片体单元模拟，网格尺寸为5mm×5mm，螺栓连接采用rigid单元模拟，各结构组件之间焊缝用seam单元模拟，由于仪表板上内饰件的几何形状对其一阶整体模态影响不大[5]，因此将各内饰件都简化为在其质心上的质量块，这种方法在简化模型的同时也能缩短建模时间，可以保证建立的有限元模型与试验样车保持一致。仪表板分析模型单元数82613，节点数63981。仪表板Catia数模如图1所示，仪表板有限元模型如图2所示，仪表板中所用材料属性参数如表1所示。

3 仪表板模态分析

仪表板主要激励源包括路面激励和发动机怠速激励。路面对车辆的激励频率一般在15Hz以下，而发动机怠速频率在接近27Hz。依据行业标准，仪表板总成的一阶模态设计目标值应处于17Hz～22Hz以同时避开发动机怠速频率和路面激励频率。

将输出的*.bdf模型文件导入Nastran求解器进行求解，输出*.op2结果文件，运用HyperView后处理软件查看仪表板模态振型及频率，对仪表板的模态分析一般只需分析前6阶，表2为前6阶固有频率及振型，图3、图4为仪表板总成前2阶模态分析结果云图。

由上述计算结果可知：仪表板1阶固有频率21.06Hz，在目标值17～22 Hz频率范围内，不会引起汽车怠速时共振，符合设计要求。

4 结论

在汽车前期开发过程中，对仪表板进行CAE仿真分析计算出各阶模态，比较第1阶模态是否符合设计要求。此方法为汽车后续试验以及优化改进提供一定的依据和参考，节约了开发成本，提高了设计效率。

参考文献：

[1]张炳力，薛铁龙，柴梦达.轻卡外流场数值模拟及附加井字形格栅优化设计[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2014，37（12）：1430-1435.

[2]王岩.某商用车仪表板总成模态分析及优化设计[J].轻型汽车技术，2011（Z4）：16-19.

[3]李国城，邓涛，卢任之.汽车仪表板模态分析及结构优化[J].汽车实用技术，2016（05）：32-34.

[4]龚运息，林志立.一款新乘用车仪表板本体的刚度分析与改进[J].制造业自动化，2015，37（06）：36-38.

[5]袁余星，郑松林，李应军，等.某商用车仪表板横梁模态和静刚度分析[J].机械设计与制造，2016（05）：75-78.