基于ABAQUS的汽车仪表板模态及刚度分析

谢暴，陶其铭

（1.安徽职业技术学院机械工程系，安徽合肥 230011；2.江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230022）

基于ABAQUS的汽车仪表板模态及刚度分析

谢暴1，陶其铭2

（1.安徽职业技术学院机械工程系，安徽合肥 230011；2.江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230022）

通过ANSA建立某车型仪表板的有限元模型，利用ABAQUS软件进行仪表板的模态和刚度分析，并根据分析结果与设计允许值的对比情况，对仪表板结构提出改进方案，为该车的后续结构改进与优化提供理论依据和参考.

仪表板；CAE；模态分析；刚度分析

随着数值分析理论和计算机技术的发展，CAE技术在现代汽车产品设计中扮演着越来越重要的角色[1].仪表板总成是汽车内饰中最重要的组成部分，是集安全性、功能性以及舒适性于一体的部件，使用CAE技术可以快速对仪表板总成的模态性能、刚度性能等指标进行评价，指导结构设计，从而降低新车型的开发成本[2].本文以某公司新开发的一款车型的仪表板为研究对象，使用ABAQUS软件通过有限元方法来分析仪表板总成在不同位置下的刚度特性，检测其是否符合刚度指标[3]；计算仪表板总成的模态特性，检测其是否符合模态特性指标，并根据分析结果与设计允许值进行对比，从而提出仪表板结构的改进建议，为该车的后续改进设计提供了依据和参考.

1 模态分析方法

模态分析是研究结构动力特性的一种近似方法，其目的是确定用以描述其系统特性的固有频率和振型等.模态分析可以通过解析分析和试验分析两种手段实现，解析模态分析，即根据结构的几何形状、边界条件和材料特性，用质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵表征其结构的质量分布、刚度分布和阻尼分布等动态特性.利用CAE技术，通过对复杂的结构建立有限元模型，求解结构动力参数，进行频率响应分析[4]，从而进行结构优化和修正.本文主要介绍解析模态分析技术在仪表板模态分析上的应用.

对于该仪表板模型结构，其弹性体振动的基本方程为[5]

式中[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵；{X}、、分别为位移、速度和加速度向量；{F(t)}为系统所受外载荷向量.

在无阻尼自由振动的情况下，进行傅立叶变换可得简化后的动力学方程

假定其解为简谐函数形式

式中φ为特征向量或振型，ω为系统特征圆频率.将式（3）代入式（2）中，且令λ=ω2，则得到系统的特征值方程为

式（4）存在非零解的条件为矩阵行列式为0，即

展开式（5）可得到关于λ的N次多项式方程，该方程的N个根λ1,λ2⋅⋅⋅λn为系统的特征值，将λ1,λ2⋅⋅⋅λn代入式（4），即可得与λi对应的特征向量φi，每一特征值和特征向量决定结构的一种自由振动形式.

Block Lanczos方法采用稀疏矩阵方程求解器，是将n×n阶实矩阵经相似变换约化为三对角矩阵以求解特征值问题的一种方法[6]，运算速度快，输入参数少，特征值、特征向量求解精度高，故本文采用Lanczos方法提取仪表板总成前8阶弹性模态.

2 建立有限元模型

为了保证计算精度，有限元模型必须能够如实反映仪表板总成的几何特性和力学特性[7].将仪表板CAD模型导入ANSA软件中完成网格划分和零件连接.抽取仪表板总成的CAD模型版件的中面建立有限元模型，该模型选取以四边形为主的壳单元进行离散，兼用少量三角形单元以满足高质量网格的过渡需要，并利用质量点模拟CAD模型中非关键小尺寸的零部件以简化模型结构，仪表板总成零件间的螺柱、螺钉、卡扣连接以及质量单元的连接均采用RBE2单元模拟.

在模态分析和刚度分析中假设所有材料属性均为线弹性材料，相关材料的属性见表1.

最终建立的仪表板有限元模型见图1，有限元模型的描述见表2.

3 模态分析及结构改进

3.1 模态分析

表1 仪表板模型中所用材料参数

该仪表板总成与车身、地板的连接方式与位置如图2所示，通过约束对象位置节点的6个自由度来模拟螺栓联接，通过约束节点的3向平动自由度模拟销联接，设置的边界条件如图3所示.

图1 仪表板有限元模型

表2 有限元模型的描述

图2 仪表板与车身、地板连接方式及位置图

3.2 模态分析结果及结构优化

采用ABAQUS通过有限元方法进行模态分析计算，所得模态前8阶的频率见表3，前8阶模态振型见图4.

表3 前8阶固有频率及分析

图3 设置的边界条件

本车型采用4缸发动机，发动机怠速频率为25 Hz，为减少振动，保证仪表板总成有良好的振动特性，要求仪表板总成在约束状态下一阶整体固有频率＞34 Hz.从表3中的数值以及图4中可以看出第四阶总体频率33.1 Hz，略小于要求的34 Hz.建议通过以下方法来增加仪表板本体的垂向弯曲刚度，从而提高其整体模态值：（1）增加仪表板本体上横向筋或增加料厚；（2）杂物箱存在多个局部模态，需要增加刚度；（3）仪表板本体下盖，副仪表板存在局部模态，需要增加约束，在其后部分别增加一个支架，与仪表板横梁直接连接.结合三种改进方案，使仪表板总成的一阶模态值提高到34.9 Hz，有效避免了仪表板与发动机激励共振，改进方案在本车型上已经实施，路试效果良好.

图4 前8阶模态振型

4 刚度分析及结构改进

图5 仪表板刚度分析受力位置

表4 仪表板刚度设计要求

4.1 刚度分析

仪表板系统需要有一定的刚性，仪表板系统的刚性一般通过仪表板横梁骨架的结构刚度来表征，其定义是对仪表板横梁进行2倍重力模拟加载，其位移一般应该小于2 mm[8].

本车型的刚度分析采用与模态分析基本相同的有限元模型.但是模态分析有些零件网格划分比较粗，在针对该零件的刚度分析时进行网格细化.为了模拟垂直几何表面加载，在加载位置建立局部坐标，方便在正确方向上施加载荷.

根据以往设计经验，将载荷模拟为6个点的受力，本车型的受力位置见图5，仪表板刚度设计要求见表4.

采用ABAQUS通过有限元方法进行刚度分析计算，所得各加载位置的位移云图如图6所示，刚度分析的结果见表5.

4.2 刚度分析结果及结构优化

从表5中可以看出，在指定的垂直压力作用下，加载位置2、3、4符合设计要求，其他几个作用位置的位移都偏大，特别是在加载位置6大得多.建议通过以下方法提高各部分刚度，加载位置1的位移超出要求值数倍，需要增加额外的支撑、增设更加密集的加强筋或者改变本体厚度；加载位置2、3、4符合设计要求；在加载位置5变形值为2.3 mm，接近目标值，应适当增加加强筋的数量；加载位置6的安全气囊盖板材料弹性模量很小，刚度分析时是在该位置不考虑其内部支撑情况下进行的，因此该位置在规定载荷下会发生破坏，进行结构优化时应忽略该点的分析.

表5 仪表板刚度分析结果

5 结论

本文利用CAE技术针对某车型仪表板进行了模态及刚度分析，通过将计算结果与设计允许值进行对比，从而提出仪表板结构的改进建议，为该款车的后续改进设计提供了依据和参考；同时本研究也为同部件或其他类似部件的设计与改进提供了方法上的借鉴.

[1]靳春梅，樊灵.CAE模拟分析在汽车数字化开发中的应用及展望[J].上海汽车，2008，4（1）：14-20.

[2]杨斌，李延杰.CAE技术在汽车仪表板模具设计中的应用[J］.工程塑料应用，2005，3：61-63.

[3]Gerhard slik,Vikas Gupta,Dave Chapman.Engineering Development of a Fully-Integrated Potypropytene Insttrument Panel concept [J］.SAE,2001(01):0841.

[4]陈家瑞.汽车构造[M］.北京：人民交通出版社，1993：247-285.

[5]顾彦.汽车NVH设计CAE综合解决方案研究[D］.上海：上海交通大学，2004：6-18.

[6]吴亦君.汽车电动助力转向系统的建模与仿真[J］.中国工程机械学报，2007，5（3）：293-297.

[7]赵洪辉.轿车转向盘振动分析与控制[D］.吉林：吉林大学，2006：6-2.

[8]刘伟萍.仪表板总成性能分析及优化[D］.武汉：武汉理工大学，2010：2-2.

Modal and Rigidity Analysis and Research of the Automobile Instrument Panel Based on ABAQUS

XIE Bao1,TAO Qi-ming2
(1.Department of Mechanical Engineering,Anhui Vocational and Technical College,Hefei 230051,China; 2.Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei 230022,China)

The finite element model is established for a vehicle instrument panel by ANSA.An analysis is made of the modal and rigidity of the panel using ABAQUS software and according to the comparison between the re⁃sults of the analysis and design of allowed values,the improved scheme is put forward on the panel structure to provide a theoretical basis and reference for the subsequent improvement structure and optimization for it.

instrument panel;CAE;modal analysis;rigidity analysis

U463

A

1008-2794（2013）04-0065-06

2013-03-27

安徽职业技术学院科研基金项目“汽车仪表板头部碰撞模拟分析的研究”（ZD1106）

谢暴，副教授，硕士，研究方向：数字化设计与制造，E-mail：xiebaomail@126.com.