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1、汽车仪表板横梁系统研究（机械杂志）2014年第六期1横梁系统构造组成文中研究对象车型为某中型载货汽车，发动机工作转速为8003000r/min，动力系统二阶鼓励频率为26.7100Hz。仪表板横梁总成的焊接骨架如图1所示，采用传统碳钢材料，主要由横梁管、左右A柱安装支架、上下前围安装支架、转向管柱支架和附接在横梁管上的一系列辅助支撑元件焊接组成。横梁管由型钢弯曲制成，整体形状呈“几字形构造，中间凸出部位朝向前下方。整个横梁总成焊接骨架重量为12.5kg，通过螺栓安装在车身A柱和前围壁板上。横梁管和上下安装支架由不同厚度和不同直径的圆管件弯制而成，各支架元件是由不同厚度的钣金冲压而成。与车身连接
2、的、承载一定作用力、重要部件安装的支架厚度为2mm，如横梁管、左右A柱支架、上安装支架、转向系统支架，个别支架厚度为3mm，如下安装支架。起连接作用为主的辅助支撑元件厚度为1.0mm或1.2mm，如线束组固定支架、电器件支架等。2系统固有振动特性试验研究2.1试验模态基本原理具有n自由度的系统运动，其振动微分方程可描绘为：根据动力互易定理，只需要测量频响函数矩阵的某一行或某一列元素便能够得到一组完好的模态振型。测试中为了减小共振附近处的噪声，可通过功率谱密度函数来求得系统的频响函数，即：通过该方法，频响函数的测量在经太多次平均后，会得到较高的置信度，有利于模态参数的识别。2.2横梁系统振动模态
3、试验试验时将横梁总成骨架和前围板、地板、左右A柱作为一个系统考虑，考察该系统的固有振动特性。试验前将转向系统、仪表板系统、空调附件和收音机组件等全部拆解下来。只露出与车身壁板相连接的横梁焊接骨架。试验采用的仪器有LMSSCADAS数采前端、PC工作站电脑、脉冲力锤、力传感器、PCB三向加速度传感器、BNC导线和工具等，试验数据处理分析在LMSTest.Lab10B中完成。在软件模块中建立横梁总成的几何框架模型，定义系统参考坐标系的z向为沿横梁管的长度方向，y向与横梁管中间段凸出方向一致，根据右手定则确定x向。对上下安装支架的欧拉角进行坐标转换，使其z向沿支架长度方向，x向平形于车身对称面且与z
4、向垂直，根据右手定则确定y向。试验采取固定加速度传感器拾振，移动力锤鼓励的方式获取频响函数矩阵的行向量。为了提高信噪比且避免构造模态遗漏，在横梁管上布置4个三向加速度传感器，如图2所示，在横梁管上长度方向上布置24个鼓励点，相邻点间隔为8cm，上安装支架布置3个鼓励点，下安装支架布置4个鼓励点，力锤分别鼓励各点的x向和z向。对实测频响函数进行集总处理，采用PolyMax多参考最小二乘复频域法算法识别横梁总成的模态参数，其包络稳态图如图3所示。表1中列出了试验分析获得的横梁车身系统整体模态参数结果，其中前三阶振型如图4、模态试验结果显示，横梁系统的二阶以上模态与动力系统的怠速激振频率分离效果很好
5、，而第一阶固有频率为28.2Hz，当转向系统、仪表板及其附属件搭接到横梁总成上以后，由于承重的增加会使得横梁系统的一阶固有频率会下降5%左右，很容易与动力系统激振力发生耦合，因而有必要对横梁总成的振动特性进一步构造分析与优化。3系统固有振动特性仿真分析及优化3.1横梁系统计算模态分析为了寻找出引起横梁系统刚度较差的原因，在HyperMesh中建立车身与横梁总成的有限元模型，导入至Nastran中计算系统的模态特性。计算分析结果中包含了较多车身和横梁管上支架元件的局部模态，通过分析模态振型云图特征，提取横梁系统的前3阶整体振动模态，结果如表2所示。图7为横梁系统的第一阶计算模态振型，横梁系统和车
6、身前围板作为一个整体系统作前后振动，鉴于横梁系统在车身上的约束形态，其表现出俯仰振动变形。因而，引起横梁系统一阶固有频率偏低、刚度较差的原因不仅和横梁总成骨架本身的刚度有关，还和横梁系统安装基础车身前围板的刚度缺乏有关。3.2基于灵敏度的板厚优化驾驶室车身前围板件和横梁系统主要零件都是由不同厚度的钣金制成，在不改变前围板构造的拓扑形式、整体轮廓尺寸和横梁总成约束方式的前提下，系统唯一的设计参数便是零件板厚，因而怎样优化分配系统各零部件的板厚来获得较好的刚度、质量分布，使得系统的动态性能提升和车身轻量化到达较好的平衡，是下一步的工作方向。灵敏度分析在构造的设计以及分析中起着重要的作用，十分是对于
7、构造的优化设计和修改。为了确定构造设计和优化方案，分析各个设计参数对构造特性变化的灵敏度特别必要，能够避免构造修改中的盲目性5。设计灵敏度是构造响应对设计变量的偏导数构造响应的梯度。对于线性无阻尼构造自由振动的动力学方程为：敏度分析有直接求导法、差分法和摄动法等几种方法5。对上述有限元模型在OptiStruct中分析主要零部件的板厚对系统的低阶模态的灵敏度，包括横梁管、前围外板、前围内板、前风窗框下横梁、A柱前围连接板1、A柱前围连接板2、A柱前围连接板3、横梁总成上安装支架、横梁总成下安装支架。灵敏度分析结果见表3所示。从灵敏度分析结果能够看出不同零件对横梁系统的质量和固有频率影响程度不同，
8、因而找出对系统固有振动频率和质量影响较为显著的零件很有必要。优化后的横梁系统第一阶固有频率得到了有效提升，而对整车总质量影响却很小，只增加了2.5kg。对优化后的模型进行有限元模态重分析后，第一阶模态振动最大变形处的位移量比原始构造减小了18%，刚度明显提高。优化结果使汽车仪表板横梁系统质量、固有频率和刚度之间到达了较好的平衡，避免了盲目增加质量或添加辅助支架引起的费事，因而以为该设计是可接受的。4结束语本文提出了一种改善汽车仪表板横梁系统固有振动特性的思路，将某中型载货汽车的横梁总成与驾驶室车身的振动特性综合考虑，利用LMSTest.Lab测试系统对横梁系统进行约束模态试验，试验结果与有限元计算相结合找出了横梁系统固有振动特性较差的原因，然后以提高第一阶整体模态频率为目的，分析了主要零件板厚对横梁系统模态频率和总质量的灵敏度，最后利用OptiStruct对主要零件板厚进行了优化，使得横梁系统质量、固有频率和刚度三者之间得到了较好的平衡。