汽车挡风玻璃洗涤液喷水壶模态与频响分析

何锋，冯春亮

(贵州大学机械学院，贵州贵阳550025)

0 引言

汽车挡风玻璃洗涤液喷水壶是汽车洗涤液的盛放容器，由壶体及前下、前上、右后上、后下4 个支架组成。由于多数汽车的喷水壶安装在发动机附近，振动环境较恶劣，且汽车行驶中壶体加入洗涤液后受到液体载荷的冲击，各个支架受力不均等，导致壶体开裂、支架处松动等问题。在批量生产前，为了验证洗涤液喷水壶动态特性是否满足要求，对其进行CAE 分析。

通过建立某车型用挡风玻璃洗涤液喷水壶三维模型，运用有限元分析软件对其进行约束模态分析和频率响应分析，以验证其在正常工况下各部分的应力应变是否满足要求，保证产品可靠性。

模态分析是研究结构固有振动特性的方法，通过模态分析可以了解结构的共振区域，验证三维模型是否正确［1］。频响分析是用来计算结构在稳态振动激励下的响应的方法，可以得到系统结构的响应与频率之间的关系［2］。两者结合分析有限元模型，便可以较好地验证模型的动态特性。

运用有限元分析软件Nastran 对喷水壶三维模型进行约束模态与频率响应分析［3-4］，通过读取结果并对结果分析便可以得到洗涤液喷水壶的动态特性，且验证其动态特性是否合理。

1 建立洗涤液喷水壶有限元模型

1.1 建立模型

在尽量保持喷水壶主要特征、不改变其力学性能的前提下，忽略某些对模型整体力学性能影响较小的几何特征(如凹槽、小孔等)，对喷水壶进行简化。建立简化后的喷水壶三维模型。

1.2 划分网格

对建立好的三维模型进行网格划分，其中对网格数量、网格疏密度、单元阶次、网格质量等进行合理调整，主要单元指标如表1 所示。

表1 主要单元标准

网格划分完成后的有限元模型如图1 所示。模型中，节点总数为17 961 个，单元数为18 127 个。

模型中长度单位为mm，力单位为N，质量单位为t，重力加速度取g =9.8 m/s2。洗涤液壶本体及支架有限元网格大小按照4 mm 进行划分，单元类型为CQUAD4 及少量CTRIA3 板壳单元。洗涤液壶本体和支架之间的连接采用节点融合的方式实现。

1.3 施加载荷

施加载荷过程中，洗涤液壶本体及支架的质量通过分析软件的属性选项卡自动实现;洗涤液壶装载液体的质量通过修改洗涤液壶本体材料密度进行质量匹配。该洗涤液壶加水总质量为4.5 kg。

2 约束模态分析

2.1 边界条件

边界条件:约束洗涤液壶4 个支架位置螺栓孔连接处6 个方向自由度，如2 所示。

根据洗涤液壶试验激振频率的特点，约束模态考察范围选取30 ～40 Hz。

2.2 施加材料特性

洗涤液壶本体及支架材料为PP4，该材料具有优异的耐热氧老化和光老化性能，以保证零件在恶劣环境下的安全性。材料特性如表2 所示。

表2 材料特性

2.3 模态分析

边界条件与材料属性施加完成后，对其进行约束模态分析。分析结果显示，在30 ～40 Hz 频率范围内只有1 阶模态出现，模态位移变形结果及应变能结果如图3、图4 所示。

2.4 结果分析

在30 ～40 Hz 频率范围内，洗涤液壶只有1 阶模态出现，主要振型为前后方向摆动，固有频率为36.78 Hz;从模态应变能结果可以看出，此时能量主要集中在洗涤液壶的前下支架上，其余支架及本体应变能较小。

3 频率响应分析

在4 个支架约束处同时分工况强迫施加前后、左右、上下方向的加速度，加速度为3g。

分析得到频率响应结果部分图形如图5—7 所示。

表3 洗涤液壶频响分析应力结果

从表3 可以看出:在30 ～40 Hz 范围内存在3 个频响峰值，分别为33.11、36.79、39.30 Hz。所有工况中，33.11、36.79 Hz 时的应力峰值均出现在洗涤液壶前下支架处，39.30 Hz 时的应力最大值出现在后右上支架处。前后方向激励工况下，在36.79 Hz 时最大应力峰值位于前下支架处，大小为57 MPa，超过材料屈服强度，见局部放大图8。且在33.11 Hz 频率时最大应力也出现在该支架处，与试验的激振频率33 Hz 接近，易造成疲劳损坏。同时结合以上模态分析结果可知，36.78 Hz 是洗涤液壶的固有频率点，且前下支架处的应变能非常大。

4 结论

通过对挡风玻璃洗涤液壶结构的CAE 仿真分析研究得出:在30 ～40 Hz 频率范围内，洗涤液壶只有1 阶模态出现，主要振型为前后方向摆动，其前下支架应变较大，其他部分应变较小。

该壶的前下支架局部应变过大，结构设计不合理。应对该支架结构进行进一步的加强改进设计，以确保洗涤液喷水壶总成能够满足使用要求。

【1】傅志方，华宏星.模态分析理论与应用［M］.上海:上海交通大学出版社，2000:10-18.

【2】张科进，管义群.基于频响分析的客车骨架动态特性研究［J］.客车技术与研究，2009，31(6):8-10，15.

【3】苏小平，朱健.基于MSC. Nastran 的轻型客车车身骨架的模态分析［J］.制造业自动化，2010，32(10):142 -143.

【4】吴碧磊，秦民，李幼德，等. 载货汽车驾驶室乘坐舒适性研究［J］.汽车工程，2006，28(12):1057-1061.