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《機(jī)械雜志》2014年第六期

1橫梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

文中研究對(duì)象車(chē)型為某中型載貨汽車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速為800～3000r/min，動(dòng)力系統(tǒng)二階激勵(lì)頻率為26.7～100Hz。儀表板橫梁總成的焊接骨架如圖1所示，采用傳統(tǒng)碳鋼材料，主要由橫梁管、左右A柱安裝支架、上下前圍安裝支架、轉(zhuǎn)向管柱支架和附接在橫梁管上的一系列輔助支撐元件焊接組成。橫梁管由型鋼彎曲制成，整體形狀呈“幾”字形結(jié)構(gòu)，中間凸出部位朝向前下方。整個(gè)橫梁總成焊接骨架重量為12.5kg，通過(guò)螺栓安裝在車(chē)身A柱和前圍壁板上。橫梁管和上下安裝支架由不同厚度和不同直徑的圓管件彎制而成，各支架元件是由不同厚度的鈑金沖壓而成。與車(chē)身連接的、承載一定作用力、重要部件安裝的支架厚度為2mm，如橫梁管、左右A柱支架、上安裝支架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)支架，個(gè)別支架厚度為3mm，如下安裝支架。起連接作用為主的輔助支撐元件厚度為1.0mm或1.2mm，如線(xiàn)束組固定支架、電器件支架等。

2系統(tǒng)固有振動(dòng)特性試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)?zāi)B(tài)基本原理具有n自由度的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，其振動(dòng)微分方程可描述為：根據(jù)動(dòng)力互易定理，只需要測(cè)量頻響函數(shù)矩陣的某一行或某一列元素便可以得到一組完整的模態(tài)振型。測(cè)試中為了減小共振附近處的噪聲，可通過(guò)功率譜密度函數(shù)來(lái)求得系統(tǒng)的頻響函數(shù)，即：通過(guò)該方法，頻響函數(shù)的測(cè)量在經(jīng)過(guò)多次平均后，會(huì)得到較高的置信度，有利于模態(tài)參數(shù)的識(shí)別。

2.2橫梁系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)將橫梁總成骨架和前圍板、地板、左右A柱作為一個(gè)系統(tǒng)考慮，考察該系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性。試驗(yàn)前將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、儀表板系統(tǒng)、空調(diào)附件和收音機(jī)組件等全部拆解下來(lái)。只露出與車(chē)身壁板相連接的橫梁焊接骨架。試驗(yàn)采用的儀器有LMSSCADASⅢ數(shù)采前端、PC工作站電腦、脈沖力錘、力傳感器、PCB三向加速度傳感器、BNC導(dǎo)線(xiàn)和工具等，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析在LMSTest.Lab10B中完成。在軟件模塊中建立橫梁總成的幾何框架模型，定義系統(tǒng)參考坐標(biāo)系的z向?yàn)檠貦M梁管的長(zhǎng)度方向，y向與橫梁管中間段凸出方向一致，根據(jù)右手定則確定x向。對(duì)上下安裝支架的歐拉角進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使其z向沿支架長(zhǎng)度方向，x向平形于車(chē)身對(duì)稱(chēng)面且與z向垂直，根據(jù)右手定則確定y向。試驗(yàn)采取固定加速度傳感器拾振，移動(dòng)力錘激勵(lì)的方式獲取頻響函數(shù)矩陣的行向量。為了提高信噪比且避免結(jié)構(gòu)模態(tài)遺漏，在橫梁管上布置4個(gè)三向加速度傳感器，如圖2所示，在橫梁管上長(zhǎng)度方向上布置24個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，相鄰點(diǎn)間隔為8cm，上安裝支架布置3個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，下安裝支架布置4個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，力錘分別激勵(lì)各點(diǎn)的x向和z向。對(duì)實(shí)測(cè)頻響函數(shù)進(jìn)行集總處理，采用PolyMax（多參考最小二乘復(fù)頻域法）算法識(shí)別橫梁總成的模態(tài)參數(shù)，其包絡(luò)穩(wěn)態(tài)圖如圖3所示。表1中列出了試驗(yàn)分析獲得的橫梁車(chē)身系統(tǒng)整體模態(tài)參數(shù)結(jié)果，其中前三階振型如圖4、模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果顯示，橫梁系統(tǒng)的二階以上模態(tài)與動(dòng)力系統(tǒng)的怠速激振頻率分離效果很好，而第一階固有頻率為28.2Hz，當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、儀表板及其附屬件搭接到橫梁總成上以后，由于承重的增加會(huì)使得橫梁系統(tǒng)的一階固有頻率會(huì)下降5%左右，很容易與動(dòng)力系統(tǒng)激振力發(fā)生耦合，因此有必要對(duì)橫梁總成的振動(dòng)特性進(jìn)一步結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化。

3系統(tǒng)固有振動(dòng)特性仿真分析及優(yōu)化

3.1橫梁系統(tǒng)計(jì)算模態(tài)分析為了尋找出引起橫梁系統(tǒng)剛度較差的原因，在HyperMesh中建立車(chē)身與橫梁總成的有限元模型，導(dǎo)入至Nastran中計(jì)算系統(tǒng)的模態(tài)特性。計(jì)算分析結(jié)果中包含了較多車(chē)身和橫梁管上支架元件的局部模態(tài)，通過(guò)分析模態(tài)振型云圖特征，提取橫梁系統(tǒng)的前3階整體振動(dòng)模態(tài)，結(jié)果如表2所示。圖7為橫梁系統(tǒng)的第一階計(jì)算模態(tài)振型，橫梁系統(tǒng)和車(chē)身前圍板作為一個(gè)整體系統(tǒng)作前后振動(dòng)，鑒于橫梁系統(tǒng)在車(chē)身上的約束形態(tài)，其表現(xiàn)出俯仰振動(dòng)變形。因此，引起橫梁系統(tǒng)一階固有頻率偏低、剛度較差的原因不僅和橫梁總成骨架本身的剛度有關(guān)，還和橫梁系統(tǒng)安裝基礎(chǔ)車(chē)身前圍板的剛度不足有關(guān)。

3.2基于靈敏度的板厚優(yōu)化駕駛室車(chē)身前圍板件和橫梁系統(tǒng)主要零件都是由不同厚度的鈑金制成，在不改變前圍板結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问健⒄w輪廓尺寸和橫梁總成約束方式的前提下，系統(tǒng)唯一的設(shè)計(jì)參數(shù)便是零件板厚，因此如何優(yōu)化分配系統(tǒng)各零部件的板厚來(lái)獲得較好的剛度、質(zhì)量分布，使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能提升和車(chē)身輕量化達(dá)到較好的平衡，是下一步的工作方向。靈敏度分析在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及分析中起著重要的作用，特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和修改。為了確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案，分析各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)特性變化的靈敏度十分必要，可以避免結(jié)構(gòu)修改中的盲目性[5]。設(shè)計(jì)靈敏度是結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)（結(jié)構(gòu)響應(yīng)的梯度）。對(duì)于線(xiàn)性無(wú)阻尼結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為：敏度分析有直接求導(dǎo)法、差分法和攝動(dòng)法等幾種方法[5]。對(duì)上述有限元模型在OptiStruct中分析主要零部件的板厚對(duì)系統(tǒng)的低階模態(tài)的靈敏度，包括橫梁管、前圍外板、前圍內(nèi)板、前風(fēng)窗框下橫梁、A柱前圍連接板1、A柱前圍連接板2、A柱前圍連接板3、橫梁總成上安裝支架、橫梁總成下安裝支架。靈敏度分析結(jié)果見(jiàn)表3所示。從靈敏度分析結(jié)果可以看出不同零件對(duì)橫梁系統(tǒng)的質(zhì)量和固有頻率影響程度不同，因此找出對(duì)系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率和質(zhì)量影響較為顯著的零件很有必要。優(yōu)化后的橫梁系統(tǒng)第一階固有頻率得到了有效提升，而對(duì)整車(chē)總質(zhì)量影響卻很小，只增加了2.5kg。對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行有限元模態(tài)重分析后，第一階模態(tài)振動(dòng)最大變形處的位移量比原始結(jié)構(gòu)減小了18%，剛度明顯提高。優(yōu)化結(jié)果使汽車(chē)儀表板橫梁系統(tǒng)質(zhì)量、固有頻率和剛度之間達(dá)到了較好的平衡，避免了盲目增加質(zhì)量或添加輔助支架引起的麻煩，因此認(rèn)為該設(shè)計(jì)是可接受的。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種改善汽車(chē)儀表板橫梁系統(tǒng)固有振動(dòng)特性的思路，將某中型載貨汽車(chē)的橫梁總成與駕駛室車(chē)身的振動(dòng)特性綜合考慮，利用LMSTest.Lab測(cè)試系統(tǒng)對(duì)橫梁系統(tǒng)進(jìn)行約束模態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算相結(jié)合找出了橫梁系統(tǒng)固有振動(dòng)特性較差的原因，然后以提高第一階整體模態(tài)頻率為目的，分析了主要零件板厚對(duì)橫梁系統(tǒng)模態(tài)頻率和總質(zhì)量的靈敏度，最后利用OptiStruct對(duì)主要零件板厚進(jìn)行了優(yōu)化，使得橫梁系統(tǒng)質(zhì)量、固有頻率和剛度三者之間得到了較好的平衡。

作者：宣海軍蘇榮江騰飛單位：江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心