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基于ＡＮＳＹＳ的汽车仪表板横梁焊接支架模态分析

周方明１，颜　益１，苏　晨２，池金波３

（１．江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室，江苏 镇江，２１２００３；２．泛亚汽车技术中心有限公司，上海，２０１２０１；３．上海和达汽车配件有限公司，上海，２０１７１２）

摘 要：采用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对汽车仪表板横梁焊接支架进行模态分析，得到支架的前６阶固有频率和振型。结果表明，横梁支架低阶固有频率远离汽车发动机的怠速激振频率，不会出现整体共振现象；横梁支架结构优化时，要重点考虑驾驶舱面板左右安装支架、中部左右连接支架以及离合器踏板支架等构件。

关 键 词：模态分析；汽车仪表板横梁焊接支架；固有频率；振型；

ＡＮＳＹＳ结构模态分析是汽车新产品开发中结构分析的主要内容。结构模态，尤其是结构的低阶模态，不仅反映了汽车车身及各横梁支架的整体刚度性能，也是控制汽车常规振动的关键指标。汽车仪表板横梁采用焊接工艺制造，焊缝较多，其承载性能至关重要。因此，本文采用ＡＮＳＹＳ软件建立汽车仪表板横梁焊接支架的有限元模型，通过模态分析确定其低阶振型和频率，以期为仪表板横梁支架的结构优化提供依据。

１　汽车仪表板横梁支架有限元模型

汽车仪表板横梁支架大多采用低碳钢和低合金钢制成，本文研究的仪表板横梁支架材质为ＣＲ３４０，其构件较多且结构复杂，各个构件之间通过焊缝连接，如图１所示。　　

建立仪表板横梁支架有限元模型时，为使两零件单元能在焊缝处过渡，在开始划分网格时就将焊缝考虑到模型拓扑关系中，并由此对几何模型进行划分，如图２所示，焊缝附近温度梯度比较大，可以采用比较小的单元尺寸；离焊缝较远处温度梯度较小，采用较大的单元尺寸；对焊缝处单独进 行网格划分。焊缝单元的网格划分如图３所示。

仪表板横梁支架有限元建模选用具有６个节点的Ｓｏｌｉｄ１８５单元，模型共包含４１５　９６１个单元、６３３　８２７个节点，这样既可保证计算精度又能减少计算量，横梁支架有限元模型如图４所示。

２　模态分析

ＡＮＳＹＳ提供了７种模态分析方法，本文选用子空间法（Ｓｕｂｓｐａｃｅ）［１－２］，通过几种求解控制选项来控制子空间迭代过程。在汽车实际行驶中，高于１０阶的高频振动比较少见，且高阶振型对结构的动态特性影响比较小，故在求解设置中取扩展模数为６，以得到支架的前６阶固有频率。仪表板横梁支架的前６阶模态与振型如图５所示。

对前６阶模态与振型进行分析，结果如表１所示。

在对汽车车架进行模态分析时，其评价指标一般有［３］：

①车架低阶频率应高于悬架下结构的固有频率，但同时一定要避开发动机怠速运转频率，以免发生整体共振现象；

②车架弹性模态频率应尽量避开发动机正常工作的频率范围；

③车架振型应尽量光滑，避免有突变。而一般情况下，高速公路和较好的城市路面上，激振频率多为１～３Ｈｚ；因 车 轮 不 平 衡 引 起 的 激 振 频 率 一 般 低 于１１Ｈｚ；发动机怠速时引起的激振频率约为３５Ｈｚ，此激励分量较大；汽车在正常行驶或以最高速度行驶时，发动机转速较高，激振频率一般大于１００Ｈｚ。从表１中可以看出，横梁支架的低阶模态频率处于合适的范围内，既远高于发动机怠速激振频率，同时也避开了发动机正常工作的频率范围。另外，第１阶到第２阶、第３阶到第４阶的频率变化比较大，因此在制造工艺允许的基础上，可以通过适当调整支架的尺寸或者形状，使车架的固有频率变化平缓、没有突变。

３　结论

（１）汽车仪表板横梁支架的低阶模态频率为５５．０３１Ｈｚ，处于合适的范围内，远离发动机怠速激振频率。由于各阶模态频率值较大，故一般都为局部振动，不会发生共振。

（２）由汽车仪表板横梁焊接支架前６阶固有频率和振型可知，进行结构分析时要重点考虑驾驶舱面板左右安装支架、中部左右连接支架以及离合器踏板支架等部件。

参 考 文 献

［１］　萧龙翔．振动结构模态分析基础［Ｍ］．天津：天津大学出版社，１９９１：７５－１０１．

［２］　许本文，焦群英．机械振动与模态分析基础［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９０：３５－６７．

［３］　李丽．货车车架ＣＡＥ工程应用研究［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００８