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  • 汽車異響仿真之“神秘武器”
    發布日期:2020-09-23 17:08:25

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    在汽車工業中,異響問題對客戶滿意度的影響日益增大。通常,一款新車在生產之前的驗證階段就進行異響測試。為在驗證階段減少異響問題的數量,就需要進行魯棒性設計。為了項目設計“一次成功”,避免不必要的開發循環,需要使用一個綜合的異響仿真工具。然而,在仿真工具有效使用之前,需要了解部件動態特性的正確表現形式。因此,使用Polytec公司的PSV-500-3D三維掃描式激光測振儀對每個內飾件進行動態特性測試以提高模態的相關性。3D激光測振儀測試數據結合仿真工具可幫助工程師更好的理解如何進行正確的車身內飾件設計以避免讓人煩惱的異響。

    簡介

    車內異響是一種非常復雜的噪音現象,影響汽車異響數量的因素有很多:包括材料副、表面加工、裝配、部件間的相對位移、公差、路面載荷和生產裝配等。其中一個因素“相對位移”與汽車異響息息相關。因此,在異響仿真時,兩個相鄰部件之間的相對運動是重要的關注點。在一輛普通的汽車中,因為不同的部件和儀器被安裝在一起,儀表盤(見標題圖)的內部裝配的復雜性最高。為了避免異響問題,所有部件間的相對位移都需要進行控制。

    一、參數定義

    通過詳細研究儀表盤,在仿真模型中需應用一些重要的參數,用來計算相對位移(如下圖1),這些參數對于所有與異響仿真有關的內飾總成部件均有效。全局剛度對相對位移有著重要影響,這些影響主要與內部安裝點的數量和位置有關。局部剛度和卡扣剛度對相對位移也很重要。除剛度外,仿真時還需要考慮局部幾何形狀和兩部件間的接觸部位。此外,所施加載荷對異響問題也有決定性的影響。載荷水平過低可能不產生異響,載荷水平過高可能會導致其它問題。因此,定義一個恰當的載荷是非常重要的。相對位移是全局坐標系和局部坐標系下進行運算處理的仿真輸出結果。

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    圖1異響仿真模型的參數定義


     在開發過程中會有不同類型的分析,這些分析的輸出會根據內飾總成的細節程度來調整:

    ·  模態分析首先關注主要的結構部件

    ·  當結構變得越來越細化時,通過瞬態分析得出由脈沖載荷引起的整體結構部件間的相對位移

    ·  最后,使用頻響分析法結合其它軟件在整個細化模型上進行異響仿真。測試的加速度數據作為輸入載荷,采用“SAR line”法算出局部接觸面幾何形狀。

    二、模態分析和模態相關性

    Opel Insignia這款車的儀表盤包含了很多塑料零件,結構很復雜。相對于鋼體結構的白車身而言,材料數據(如楊氏模量)和塑料部件的有限元(FE)不能很好地被定義。由于泡沫和襯墊與支撐結構構成一個復合體,所以不能利用材料供應商提供的數據直接進行仿真分析。因此,為了提高仿真性能,直接測量和模態相關性的工作就顯得非常有必要。

      利用加速度傳感器來獲取結構的全局變形。如果相關性的主要結果是只有低階模態能精確相關,而高階模態卻不相關,這說明塑料部件的數據必須考慮進行修改。

    三、利用3D掃描式激光測振儀提高模態相關性

      為了提高全局和局部的模態相關水平,我們使用了德國Polytec公司的三維掃描式激光測振儀測量結構振動(如圖2)。這種測量方法有兩個顯著的優點:第一,避免因使用相對較大的加速度傳感器帶來的質量載荷,測振儀和反光膜一起使用,測量輕量的內飾部件。第二,可以測量大量的測點,而使用單個加速度傳感器測試的測點是很有限的。

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    圖2:使用3D掃描式激光測振儀測量儀表盤的ODS

     

    相關性分析工作的初步結果清楚地表明,線性仿真模型在局部水平上已得到大幅改進。這一改進能幫助工程師們更好地理解如何在仿真模型中以最佳方式準確連接各部件。該模型使用戶能夠在早期進行研究并反饋給設計工程師如何最有效地優化模型剛度,比如采用不同安裝位置或不同的材料(如利用玻璃纖維增強)。設計準則包括模態頻率和模態振型的一致性。通過研究模態振型,加筋和加強的位置可以很容易的識別出來。由于模態分析可以在非常早的設計階段開始,因此有足夠的時間進行優化。

    四、激光測振儀是唯一可針對輕量化部件測試的設備

    掃描式測振儀能實現輕量部件的精確振動測量。傳統方法使用接觸式的加速度傳感器,其附加質量和剛度會影響部件的動態響應。圖3顯示的是Insignia汽車的中控臺內飾的仿真模型和試驗搭建。測試結果表示該部件第一次的位移測試已經完成,三維掃描式激光測振儀的測試結果以UNV格式導出,隨后導入至LMS Test軟件測試以提取特征模態。將測量模態和計算模態都輸入至LMS Virtual lab進行模態相關性分析。這個比較簡單的FE模型能夠精確地顯示出了該部件的動態特性。前10階特征模態顯示出了相當好的MAC值(模態置信因子),甚至考慮了所有的測試點,均高于0.8 (見下表及圖4)。

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    圖3: 中控臺仿真模型,夾具上待測的中控臺內飾件

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    圖4:模態相關的MAC值

    結論

    異響仿真的目的是為了盡可能準確地獲取車身內飾件的動態特性,將相對位移與實際的異響現象關聯起來。模態關聯結果表明,通過使用改進后的塑性材料數據,該線性仿真模型能夠準確計算出低階全局模態(高階模態相關性仍然較差)。這種能力也使模態分析成為能夠在車身內飾設計早期階段為設計師們提供幫助的強大工具。

      為提高模型局部的模態相關性,采用3D掃描式激光測振儀來測量內飾件的動態特性,這樣我們可以更好地了解如何組裝內飾件,將車內異響降到最低。


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