Hyperworks在汽车仪表板总成模态分析-中的应用

ModelingandSimulation建模与仿真,2017,6(4),211-217PublishedOnlineNovember2017inHans.://doi.org/10.12677/mos.2017.64025文章引用:穆光,杨银丽,冯焕学.Hyperworks在汽车仪表板总成模态分析中的应用[J].建模与仿真,2017,6(4):211-217.DOI:10.12677/mos.2017.64025HyperworksApplicationinModalAnalysisofInstrumentPanelAssemblyGuangMu*,YinliYang,HuanxueFengChangchunFawayAdientAutomotiveSystemCo.Ltd.,ChangchunJilinReceived:Oct.26th,2017;accepted:Nov.9th,2017;published:Nov.13th,2017AbstractDuringthecardevelopmentphase,analyzingthemodalcharacteristicsoftheInstrumentPanelassemblyisofgreatsignificancetotheproduct.ThispaperappliesHyperMeshofAltairtobuildthefiniteelementmodeloftheInstrumentPanelassembly,anduseOptiStructtosolvethemodalanalysis,thendothepost-processingwithHyperview.Byanalyzingtheresults,thereasonwhythemode1ofthewholeislowisfound,thenthestructureisoptimized.ThepaperprovidesreferencetotheInstrumentPanelstructuredesignwithlargescreenconfiguration.KeywordsInstrumentPanel,Hyperworks,ModalAnalysis,AnimationHyperworks在汽车仪表板总成模态分析中的应用穆光*，杨银丽，冯焕学长春富维安道拓汽车饰件系统有限公司，吉林长春收稿日期：2017年10月26日；录用日期：2017年11月9日；发布日期：2017年11月13日摘要在汽车开发阶段，分析仪表板总成的模态特征对于产品有重要指导意义。本文应用Altair公司强大的前*通讯作者。穆光等DOI:10.12677/mos.2017.64025212建模与仿真处理软件HyperMesh建立仪表板总成的有限元模型,并利用OptiStruct进行模态求解，最后使用HyperView进行后处理。通过分析结果找到了整体一阶模态偏低的原因，并对结构进行优化设计，为有大屏配置的仪表板模态结构设计提供了参考。关键词仪表板总成，Hyperworks，模态分析，有限元仿真Copyright©2017byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).引言仪表板是汽车上最主要的内饰件，集功能性，舒适性，美观性，安全性于一体。其主要结构由塑料壳体、电路控制开关、各种仪表、影音娱乐系统、副安全气囊、手套箱以及金属支撑结构组成。目前，在主流乘用车型的大部分中高端配置中，都会配置有显示大屏(如图1)。一般情况下，由于显示大屏的连接支撑主要在下部，而上端一般是自由的，因此显示大屏的重心一般较低，在这种情况下屏幕在行驶过程中容易发生晃动，引起相关部件的疲劳，从而减小其使用寿命。除此之外，高频振动也可能产生噪声问题，影响乘员的舒适度。因此，需要在开发初期就考虑到此类问题，通过必要的手段来测定并解决。在传统开发流程中，需要进行实验来测定仪表板总成的模态。但由于实验一般在开发阶段的后期，模具已经开好，产品图纸也基本定型，此时如果出现问题，改动空间会很小，同时成本很高，还会延长开发周期。李国城等[1]使用Nastran作为分析工具对仪表板总成进行模态分析，发现了一阶固有频率与发动机怠速频率相近，从而优化了结构，减小了振动；刘俊红等[2]使用ABAQUS作为分析工具对仪表板总成进行模态分析，提取了各阶模态的结果，并根据结果优化了结构的振动特性。本文采用前处理软件HyperMesh对仪表板总成进行建模，并使用求解器OptiStruct对其进行模态分析求解，最后使用后处理软件HyperView进行后处理，在开发前期发现问题并解决，大大地缩短了开发周期，并节约开发成本。Figure1.InstrumentPanelwithbiggerscreen图1.带有显示大屏的仪表板OpenAccess穆光等DOI:10.12677/mos.2017.64025213建模与仿真2.仪表板总成有限元模型的建立2.1.网格划分由于仪表板总成多为注塑成型，其几何形状复杂且厚度不一，且各面板之间多为卡扣连接，在建立有限元模型时其几何处理和网格划分会占据大量时间。建立有限元模型时可根据实际几何状况，将网格尺寸做适当调整。内饰件中有很多自身刚度对系统影响不大的电器件，例如保险丝盒、空调控制器等，可以简化成质量点单元，忽略其刚度。必须将质量点放在其质心的位置上，并使用rbe2单元和其周边零件连接。特别的，线束也可以简化成质量点。2.2.连接关系仪表板总成的连接关系主要有四种，分别是热熔焊连接、卡扣连接、软连接(防止穿透)和铆钉(螺栓)连接。热熔焊连接：热熔焊连接一般存在于塑料骨架和塑料零件之间的连接。热熔焊的处理方法很简单，只要将连接的两个件在合适的位置共节点即可。卡扣连接：卡扣连接是内饰模态分析中最重要的一种连接方式，因为其对局部刚度影响大，且卡扣连接是内饰部件之间一种主要的连接方式(如图2)。在OptiStruct中，一般情况下，我们使用CBUSH单元(一种弹簧单元)来模拟卡扣配合，其优点是可以分别模拟各方向的刚度。软连接：结构中相邻的零件之间没有连接，或者由泡棉连接的部分，依靠接触关系来相互约束。软连接一般也使用CBUSH单元进行模拟，在可能穿透的位置设置相对较大的刚度系数(如图3)。螺栓连接与铆钉连接：风道之间，风道与骨架之间多用铆接定位(如图4)，使用rbe2单元进行连接即可。2.3.约束关系根据仪表板总成在整车上的安装情况进行系统约束，螺栓连接处设置为全约束，安装挂点处需要释放非接触方向的自由度。Figure2.Snapjoint图2.卡扣连接穆光等DOI:10.12677/mos.2017.64025214建模与仿真Figure3.Softconnection图3.软连接Figure4.Rivetconnection图4.铆钉连接2.4.计算参数使用Lanczos法提取前五阶模态，该方法求解精度高，计算速度相比子空间法来说更快。在卡片中设置输出各阶模态的相对位移云图及应变能密度云图。该模型共有节点341947个，单元342766个，单元类型以QUADS为主，模型质量50.36kg。以上参数设定完成后，使用OptiStruct求解器进行模态分析计算[3]。3.模态分析基本理论模态分析研究机械结构的固有振动特性，每个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。对于仪表板模型，由于系统没有外力作用，且结构阻尼对结构固有频率和振型影响很小。其动力学方程可表示为：[]{}[]{}0MxKx+=式中，[M]为结构的总质量矩阵，[K]为结构的总刚度矩阵。设其解为：{}{}itxeωφ=特征方程：穆光等DOI:10.12677/mos.2017.64025215建模与仿真[][](){}20KMωφ−=该方程可以通过数值计算方法进行求解，解得的w值就是各阶模态的固有频率值，特征向量{}φ就是各阶模态的振型[4]。4.模态分析计算结果使用Hyperview软件[5]对分析结果进行后处理，一阶整体模态结果如图5所示，其对应的固有频率值为33.9Hz，不满足客户不小于36Hz的要求，需要对不满足要求的区域进行设计优化。从相对位移云图(如图5)容易看出，在一阶整体模态下，主要的振动区域在显示大屏处。查看显示大屏区域的应变能密度分布图(如图6)，可以发现大屏支架的应变能密度较大，且较为集中。结合固有频率的公式()12πwkm=可知，如需提高此区域的固有频率，有提升刚度和降低质量两种角度来实现：1)降低质量可以通过减薄壁厚来实现，但这同时也降低了刚度，对固有频率的影响不大。因此在本案中，质量不是影响固有频率的主要因素。2)提升刚度可以通过在局部增加筋，或增加壁厚来实现。塑料件质量很小，局部操作在质量上对结构的影响可以忽略不计，所以此方法对局部模态的改善效果明显。5.优化分析方案结合模态分析结果，提出了如下的优化分析方案：方案一：将显示屏支架上部进行加强(图中灰色部分)，与显示屏支架一体注塑成型，增加显示屏支架区域的刚度(如图7)。方案二：在整体一阶应变能密度图中可以看出，显示屏支架所在的仪表板骨架区域刚度不足。因此考虑在刚度不足区域布置加强筋，筋的厚度为2.5mm，以提高局部刚度(图中蓝色部分，如图8)。综合上述两种改进方案，再次进行模态分析，仪表板总成的一阶整体模态提升到36.5Hz，大于不小于36Hz的固有频率的目标，符合要求。从应变能密度的角度看(如图9)，最大应变能密度也从优化前的106J/mm3下降到了80.4J/mm3，有效地提高了区域的刚度，从而提升了一阶整体模态。Figure5.The1stoverallmodeofvibration图5.整体一阶振型图穆光等DOI:10.12677/mos.2017.64025216建模与仿真Figure6.The1stoverallmodeofstrainenergydensity图6.整体一阶应变能密度图Figure7.Optimizationplan1图7.优化方案1Figure8.Optimizationplan2图8.优化方案2穆光等DOI:10.12677/mos.2017.64025217建模与仿真Figure9.The1stoverallmodeofstrainenergydensityafteroptimization图9.优化后的整体一阶应变能密度图6.结论本文使用HyperMesh软件进行汽车仪表板总成的建模，并对其进行了模态分析。通过研究分析结果的应变能密度云图及相对位移云图，对仪表板大屏支架附近结构进行了优化，经过重新计算验证了优化方案的可行性。本算例为配有大屏配置的仪表板模态结构设计提供了参考。参考文献(References)[1]李国城,邓涛,卢任之.汽车仪表板模态分析及结构优化[J].汽车实用技术,2016(5):32-34.[2]刘俊红,陶其铭,傅薇.基于ABAQUS的某轿车仪表板模态分析[C]//中国汽车工程学会年会.中国汽车工程学会年会论文集:2009年卷.[3]洪清泉,赵康,张攀,等.OptiStruct&HyperStudy理论基础与工程应用[M].北京:机械工业出版社,2013:45-55.[4]靳晓熊,张立军,江浩,等.汽车振动分析[M].上海:同济大学出版社,2002:23-25.[5]王钰栋,金磊,洪清泉,等.HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例[M].北京:机械工业出版社,2012:20-30.知网检索的两种方式：1.打开知网页面