汽車前保險杠系統模態分析中部件接觸的研究

石 錦 杜登惠 蔣 晨 岳亮亮

（泛亞汽車技術有限公司）

1 前言

汽車保險杠系統的整體模態是其前期開發階段需要關注的重要性能指標。若模態指標不滿足要求，將在整車疲勞耐久試驗或客戶使用過程中出現保險杠系統結構損壞等問題。

在汽車保險杠產品設計研發階段，因沒有物理樣件，所以通常采用CAE虛擬仿真來評估保險杠系統模態，預測其結構的動態特性，因而較高CAE仿真結果的置信度成為保險杠開發能力的體現。本文通過對虛擬分析結果與物理試驗結果進行對比分析，合理改進CAE分析方法，進一步提高保險杠系統模態仿真結果的置信度。

2 模態分析方法

保險杠系統的模態分析方法主要有理論模態分析方法和試驗模態分析方法。

2.1 理論模態分析

在實際工程中，通常采用數值方法進行理論模態分析，由于有限元法具有很強的實用性和通用性，區域離散的有限元法在眾多數值方法中最受歡迎[1]，因此，將采用有限元法對汽車前保險杠進行理論模態分析，求解基本原理如下。

對于具有多個自由度的系統的強迫振動方程為[2]:

式中，[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{x}為節點位移列陣；{f}為結構載荷列陣。

由于需要分析結構的固有特征，所以取{f}=0；同時因結構的阻尼很小，對固有頻率和振型的影響可忽略不計，則無阻尼自由振動方程為:

式（2）為常系數齊次微分方程，設其解為:

式中，xM為振幅列矢量；j2=-1；t為時間；w為振動固有頻率，令w2=λ。

將式（3）代入式（2），并令其有非零解的條件系數行列式必須等于零，則

由式（4）可解得特征值所對應的第i階特征矢量 xMi，即對應于各階固有頻率 w1，w2，，…，wn，則有各階固有振型 xM1，xM2，…，xMn。

2.2 試驗模態分析

模態試驗測試系統包括激勵設備、傳感系統和分析設備三部分。通常采用力錘作為激振，以單點激振、多點拾振來采集數據。采集的數據經過專業軟件處理即可得到模態振型和頻率。前保險杠系統的模態測試在整車上進行，其試驗流程見圖 1。

3 模態有限元分析

3.1 模型描述

采用hypermesh軟件截取半車模型進行有限元建模，包括前保險杠系統、部分白車身、副車架、翼子板和大燈等，如圖2所示。對于前保險杠系統的各零件，用網格準確表現其幾何特征和安裝孔位；由于塑料零件可能存在厚度變化的情況，根據不同幾何數模分組并賦予不同的厚度。

前保險杠系統在車身側的安裝點同樣是建模的關鍵。對于螺栓、螺釘、推釘等連接方式，各安裝孔采用了兩圈四邊形單元模擬，以確保內圈的外徑與墊片尺寸相同，并采用MPC單元連接內圈節點；對于塑料卡扣，根據搭接位置和面積選取節點并采用MPC單元進行連接；采用ACM模擬點焊，輸入實際焊點的直徑；采用adhesives模擬涂膠；采用共節點的方式模擬T型部位的超聲波焊接。

3.2 計算結果

利用有限元軟件Nastran計算前保險杠系統模態，得到第1階頻率為22.1 Hz，振型為上下方向的彎曲振動，如圖3所示。由于前保險杠近似懸臂系統安裝在車身前端，加之集成了許多功能件，具有一定質量，因此上下方向的彎曲振動是其主要振型之一。

4 試驗模態分析

根據有限元分析結果，將三向加速度傳感器布置于非低階模態振型節點位置，并確保傳感器的位置和數量可描述保險杠系統的大致外形，以測量和記錄測點在整車坐標系中的位置。本文所研究的前保險杠系統中布置了30個傳感器，包括車身側4個測量點、副車架上3個測量點、蒙皮上16個測量點、下腹板上6個測量點和小腿保護桿上1個測量點，見圖4和圖5。

考慮到保險杠系統總成尺寸及特性，利用Maxwell互異性原理，采用錘擊法輸入能量，同時通過調整合適的輸入能量確定系統線性范圍，在系統線性范圍內測得試驗結果。

首次測量得到的原始狀態的前保險杠系統模態試驗頻響結果如圖6所示，可知試驗的第1階模態為28.9 Hz，為彎曲振型。雖然第1階模態振型與有限元分析結果一致，但由于頻率與有限元分析結果相差達6.8 Hz，因此需要進行試驗與有限元模型對比研究。

5 有限元分析結果與試驗結果對比分析

5.1 模型狀態對比

通過對試驗車狀態、整車CAD數模及有限元模型進行檢測發現，在實車中，吸能塊在垂直和水平方向被緊密地擠壓在前保險杠蒙皮與防撞梁之間，小腿保護桿前端也與前保險杠緊密接觸；在CAD數模中，吸能塊與防撞梁之間及小腿保護桿與前保險杠蒙皮之間存在設計間隙，見圖7。

在設計前保險杠系統結構時，為保證部件之間的配合會留有一定間隙，以便吸收制造偏差，避免在裝配過程中發生干涉，影響功能實現或造成安全隱患[3]，通常吸能塊與防撞梁之間的設計間隙約為5 mm。而試驗車上的吸能塊由于制造偏差的緣故吸收了間隙，與防撞梁密實壓緊。小腿保護桿與吸能塊的情況相同，在制造偏差的影響下與蒙皮發生了接觸。然而由于設計間隙的存在，在初始的有限元模型中并未考慮上述接觸關系。

5.2 接觸對模態試驗的影響

為了在試驗中考查吸能塊和小腿保護桿對前保險杠系統模態的貢獻量，設計了2組試驗:第1組試驗去除吸能塊，第2組試驗去除吸能塊和小腿保護桿。試驗結果見表1、圖8和圖9。

表1 前保險杠系統模態試驗結果 Hz

由試驗結果可知，去除吸能塊后，第1階模態頻率由28.9 Hz下降至24.6 Hz，其在該車型中對前保險杠系統模態的貢獻量為4.3 Hz，約占原始模型第1階頻率的15%；而去除吸能塊和小腿保護桿后，第1階頻率為24.9 Hz，比僅拆除吸能塊升高0.3 Hz，說明小腿保護桿對模態的貢獻量為負。

5.3 接觸對模態有限元分析的影響

為在有限元分析中考查吸能塊和小腿保護桿對前保險杠系統模態的貢獻量，采取去除吸能塊與同時去除吸能塊和小腿保護桿，并分別在考慮接觸和不考慮接觸2種情況下進行分析計算，計算結果見表2。

表2 前保險杠系統模態分析計算結果 Hz

由表2可知，試驗結果與有限元分析結果的第1階頻率的振型均一致，為彎曲模態。當考慮接觸時，頻率的計算結果與試驗結果吻合度較高；不考慮接觸時，計算結果與試驗結果相差較大。

當原始模型中未考慮吸能塊和小腿保護桿與周邊零件的接觸時，模態計算值為22.1 Hz；當考慮接觸后，模態計算值為28.3 Hz，與試驗結果僅相差0.6 Hz。進一步分析吸能塊和小腿保護桿對模態的貢獻量，先拆除吸能塊，并考慮小腿保護桿接觸蒙皮，則計算結果為24.8 Hz，與試驗結果僅相差0.2 Hz；然后同時拆除吸能塊和小腿保護桿，計算結果為24.1 Hz，與試驗結果相差0.8 Hz。

由上述可知，吸能塊的接觸導致第1階模態頻率上升3.5 Hz，貢獻量達12.4%；小腿保護桿的接觸使得第1階模態頻率上升2.4 Hz，貢獻量達8.5%。由此表明吸能塊和小腿保護桿在前保險杠系統中的接觸關系對提高模態頻率起了很大作用。

6 結束語

通過對某車型前保險杠系統模態分析結果和試驗結果進行相關性分析，研究了接觸在前保險杠系統模態分析中的貢獻量，結果表明:

a.汽車前保險杠中部件之間的接觸關系對模態結果有很大影響。在有限元模型中適當考慮吸能塊和小腿保護桿與防撞梁和蒙皮的接觸，可顯著提高計算結果的精準度以及有限元模型的可靠性。

b.在進行模態計算結果與試驗結果相關性分析時，除要檢查主要零件清單及主要連接部位外，還應考慮產品實際狀態與設計狀態之間的差異，并據此修正有限元模型，保證分析結果與試驗結果的一致性。

1 黃金陵主編.汽車車身設計.北京:機械工業出版社，2007.

2 G.R.Liu，S.S.Quek，著；龍述堯，等譯.有限元法實用教程.長沙:湖南大學出版社，2004.

3 曹渡主編.汽車內外飾設計與實戰.北京:機械工業出版社，2011.