基于Solidworks車內(nèi)裝飾件的建模及模態(tài)分析

陳舒揚(yáng)

（自貢職業(yè)技術(shù)學(xué)校，自貢 643000）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生活水平的提高，家用汽車逐漸普及。越來越多的家庭擁有汽車，人們對(duì)于家用汽車的認(rèn)識(shí)不僅僅停留在其作為交通工具的基本功能上，而賦予其更多的含義。人的本質(zhì)是追求個(gè)性化的，每個(gè)人都希望自己與其他人有所不同，能夠讓自己和其他人區(qū)別出來，這種個(gè)性化也體現(xiàn)在所購買的汽車上。汽車行業(yè)是傳統(tǒng)行業(yè)，對(duì)于同一款車型，雖然提供高、中、低配的車型，以及多種顏色的選擇，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)個(gè)性化的需要與追求。于是，汽車后服務(wù)市場便為滿足人們的需要制造出許多裝飾件，以便人們能夠根據(jù)自己的需要對(duì)汽車進(jìn)行個(gè)性化裝飾，以滿足自己的精神需求。而在這些裝飾件中，部分因?yàn)闆]有考慮車上惡劣的使用環(huán)境，在裝車后，往往出現(xiàn)一些令人不快的副作用，如振動(dòng)、異響等。而這些振動(dòng)、異響很容易破壞主機(jī)廠花費(fèi)很大代價(jià)所做的NVH工作，引起乘坐舒適度的下降。于是，在人們對(duì)汽車舒適度要求越來越高的今天，對(duì)車載裝飾件的振動(dòng)、噪聲分析顯得很有必要。

本文針對(duì)裝飾件引發(fā)的噪聲問題，使用Solidworks建模，并對(duì)模型模態(tài)進(jìn)行分析，找到其共振頻率，研究裝飾件存在的共振問題以發(fā)現(xiàn)其噪聲的真正來源，并提出改進(jìn)辦法，經(jīng)檢驗(yàn)效果較好。

1 模型建立

該模型來自于實(shí)車上安裝的裝飾玩偶（見圖1），該裝飾件通過3M雙面膠與中控臺(tái)進(jìn)行連接。其中，3M雙面膠厚度為3mm，可以非常牢固地將該裝飾件與中控臺(tái)進(jìn)行連接。裝飾件圓盤邊緣與中控臺(tái)不直接連接，且有1mm的間隙，因此該裝飾件與中控臺(tái)呈簡支梁狀態(tài)。在車輛行駛過程中，特別是低速行駛工況下，該裝飾件會(huì)發(fā)出難聽的持續(xù)異響；而車輛在地面靜止時(shí)，無論是在750RPM怠速工況下，還是將轉(zhuǎn)速提高到4000RPM區(qū)間內(nèi)，均不會(huì)有異響產(chǎn)生。由于裝飾件本身較小，僅僅通過人耳聽，很難發(fā)現(xiàn)噪聲來源于裝飾件的哪個(gè)部分，故在Solidworks中建立模型并對(duì)其進(jìn)行分析。

圖1 裝飾件實(shí)物圖與Solidworks模型

由于計(jì)算資源能夠完全滿足該模型有限元計(jì)算，故不簡化模型，直接仿照裝飾件實(shí)物進(jìn)行建模。

2 模型網(wǎng)格劃分及約束條件設(shè)置

該裝飾件為ABS材質(zhì)，為線彈性材料，其各參數(shù)如表1所示。使用Solidworks Simulation，先對(duì)其賦予材料，利用選擇材料模塊，添加符合該裝飾件特性的材料。然后添加約束，由于所使用的3M雙面膠并不是粘滿整個(gè)底座，所以需要對(duì)底座進(jìn)行分割。如圖2所示，將底座分割為兩個(gè)部分，并對(duì)其中雙面膠粘貼對(duì)應(yīng)位置添加固定約束。

表1 裝飾件材料參數(shù)

該裝飾件在汽車低速勻速行駛時(shí)產(chǎn)生異響，并不存在所受慣性力導(dǎo)致改變頻率的情況，所以在受力方面僅對(duì)其施加重力。使用網(wǎng)格劃分工具劃分網(wǎng)格。由于模型部分位置相對(duì)較尖，所以必須使用更加精確的網(wǎng)格，否則容易造成網(wǎng)格無法劃出。劃分網(wǎng)格后的模型如圖3所示。

圖2 3M膠粘貼位置與模型中所使用約束位置

圖3 裝飾件網(wǎng)格模型

3 裝飾件模態(tài)求解及結(jié)果分析

3.1 模態(tài)理論分析

模態(tài)分析是基于振動(dòng)學(xué)的，而本文中的情況為受迫振動(dòng)，所以其微分方程可以列為：

其中：M為振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；F為系統(tǒng)所受的外界激勵(lì)；x為振動(dòng)的位移向量。

本文將裝飾件考慮為柔性體，所以該裝飾件實(shí)際上有無數(shù)個(gè)固有頻率，其固有頻率可以通過分析僅受重力下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)而獲得。即（1）式中F=Mg，對(duì)于整個(gè)裝飾件來說，考慮的是其雙面膠以上部分的模態(tài)，整個(gè)裝飾件阻尼很小，為欠阻尼系統(tǒng)，則近似于C=0，得到無阻尼彈性振動(dòng)微分方程為：

方程解的一般形式為：

代入方程的解，得到：

其中：λ為特征值；φ為特征值對(duì)應(yīng)的特征向量；j為虛數(shù)；ω為系統(tǒng)固有頻率，單位Hz；t為時(shí)間，單位s，且滿足λ=ω2，即可獲得模態(tài)分析中的特征值。

裝飾件有限元模型中具有n自由度個(gè)數(shù)，則模態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)中具有n個(gè)特征值。若λi為系統(tǒng)的第i個(gè)特征值，則ωi=是結(jié)構(gòu)的第i階固有頻率，那么φi是相應(yīng)第i階特征向量，也就是所謂的模態(tài)振型，它是結(jié)構(gòu)在第i階振型下的變形形態(tài)。

3.2 裝飾件模態(tài)結(jié)果分析

一般來說，模態(tài)分析是為了得出零件的多階固有頻率、振型和阻尼比等，以便在工程中防止激勵(lì)頻率與零件的固有頻率重合發(fā)生共振，造成零件的損壞、噪聲或不期望的振動(dòng)等。通常，低階模態(tài)對(duì)零件的疲勞、強(qiáng)度失效、振動(dòng)有重要作用，低頻振動(dòng)往往引起零件的破壞性共振且不易被阻尼消耗。而高頻激勵(lì)雖然也會(huì)引起零件的共振，但其振幅小，且能量衰減迅速，增加阻尼可以顯著衰減能量，對(duì)于零件的振動(dòng)噪聲影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于低頻激勵(lì)。因此，研究裝飾件低階模態(tài)，人們能夠找到對(duì)其起關(guān)鍵作用的激勵(lì)頻率，以找到導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生的真正原因。于是，針對(duì)該裝飾件模型，筆者使用Solidworks Simulation中的Direct sparse解算器來求解前六階模態(tài)，其結(jié)果如圖4所示。

從前六階模態(tài)中可以看出，前三階模態(tài)低于300Hz，后三階模態(tài)均高于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速750RPM。由于車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)中低速工況下都沒有出現(xiàn)異響，所以異響產(chǎn)生的原因并不是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)。其激勵(lì)應(yīng)該來源于低于300Hz的某種頻率，由于只有在行駛中才會(huì)出現(xiàn)噪音，所以很有可能是路面激勵(lì)導(dǎo)致共振。路面激勵(lì)的主要能量主要分布在100Hz以下，引起的車身壁板的結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率主要在250Hz以下的低、中頻范圍內(nèi)，根據(jù)有限元分析，只有第一階143.97Hz在這個(gè)范圍。由于車輛行駛在低速工況下才會(huì)發(fā)出異響，則可以判斷異響的來源就是路面激勵(lì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振。在這種情況下，人們應(yīng)該從裝飾件的設(shè)計(jì)出發(fā)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)裝飾件的結(jié)構(gòu)剛度，提高其固有頻率，使其保持在250～750Hz，以避開路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)。

圖4 前六階模態(tài)振型

4 結(jié)語

本文利用Solidworks對(duì)實(shí)物裝飾件進(jìn)行建模，采用有限元法求出裝飾件的固有頻率，為解決裝飾件噪聲問題提供了依據(jù)，也為實(shí)際路況中降低或消除噪聲提供了基本方法。采用這種方法對(duì)車內(nèi)裝飾件、后視鏡等零件進(jìn)行分析，可以為這些零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，從而提高駕駛員主觀噪聲感受和車輛的舒適度。

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