基于ANSYS的汽车仪表板横梁焊接支架模态分析

周方明，颜 益，苏 晨，池金波

（1.江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室，江苏镇江，212003；

2.泛亚汽车技术中心有限公司，上海，201201；3.上海和达汽车配件有限公司，上海，201712）

基于ANSYS的汽车仪表板横梁焊接支架模态分析

周方明1，颜 益1，苏 晨2，池金波3

（1.江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室，江苏镇江，212003；

2.泛亚汽车技术中心有限公司，上海，201201；3.上海和达汽车配件有限公司，上海，201712）

采用有限元分析软件ANSYS对汽车仪表板横梁焊接支架进行模态分析，得到支架的前6阶固有频率和振型。结果表明，横梁支架低阶固有频率远离汽车发动机的怠速激振频率，不会出现整体共振现象；横梁支架结构优化时，要重点考虑驾驶舱面板左右安装支架、中部左右连接支架以及离合器踏板支架等构件。

模态分析；汽车仪表板横梁焊接支架；固有频率；振型；ANSYS

结构模态分析是汽车新产品开发中结构分析的主要内容。结构模态，尤其是结构的低阶模态，不仅反映了汽车车身及各横梁支架的整体刚度性能，也是控制汽车常规振动的关键指标。汽车仪表板横梁采用焊接工艺制造，焊缝较多，其承载性能至关重要。因此，本文采用ANSYS软件建立汽车仪表板横梁焊接支架的有限元模型，通过模态分析确定其低阶振型和频率，以期为仪表板横梁支架的结构优化提供依据。

1 汽车仪表板横梁支架有限元模型

汽车仪表板横梁支架大多采用低碳钢和低合金钢制成，本文研究的仪表板横梁支架材质为CR340，其构件较多且结构复杂，各个构件之间通过焊缝连接，如图1所示。

图1 汽车仪表板横梁支架的几何模型Fig.1 Geometric model of the cross car beam

建立仪表板横梁支架有限元模型时，为使两零件单元能在焊缝处过渡，在开始划分网格时就将焊缝考虑到模型拓扑关系中，并由此对几何模型进行划分，如图2所示，焊缝附近温度梯度比较大，可以采用比较小的单元尺寸；离焊缝较远处温度梯度较小，采用较大的单元尺寸；对焊缝处单独进行网格划分。焊缝单元的网格划分如图3所示。

仪表板横梁支架有限元建模选用具有6个节点的Solid185单元，模型共包含415 961个单元、633 827个节点，这样既可保证计算精度又能减少计算量，横梁支架有限元模型如图4所示。

图2 焊缝拓扑划分Fig.2 Topology partition of the weld

图3 焊缝单元网格划分Fig.3 Element mesh of the weld

图4 汽车仪表板横梁支架的有限元模型Fig.4 Finite element model of the cross car beam

2 模态分析

ANSYS提供了7种模态分析方法，本文选用子空间法（Subspace）［1－2］，通过几种求解控制选项来控制子空间迭代过程。在汽车实际行驶中，高于10阶的高频振动比较少见，且高阶振型对结构的动态特性影响比较小，故在求解设置中取扩展模数为6，以得到支架的前6阶固有频率。仪表板横梁支架的前6阶模态与振型如图5所示。对前6阶模态与振型进行分析，结果如表1所示。

图5 汽车仪表板横梁支架的前6阶模态与振型图Fig.5 First six steps’modal and vibration mode of the cross car beam

表1 汽车仪表板横梁支架自由模态分析结果Table 1 Modal analysis results of the cross car beam

在对汽车车架进行模态分析时，其评价指标一般有［3］：①车架低阶频率应高于悬架下结构的固有频率，但同时一定要避开发动机怠速运转频率，以免发生整体共振现象；②车架弹性模态频率应尽量避开发动机正常工作的频率范围；③车架振型应尽量光滑，避免有突变。而一般情况下，高速公路和较好的城市路面上，激振频率多为1～3 Hz；因车轮不平衡引起的激振频率一般低于11 Hz；发动机怠速时引起的激振频率约为35 Hz，此激励分量较大；汽车在正常行驶或以最高速度行驶时，发动机转速较高，激振频率一般大于100 Hz。从表1中可以看出，横梁支架的低阶模态频率处于合适的范围内，既远高于发动机怠速激振频率，同时也避开了发动机正常工作的频率范围。另外，第1阶到第2阶、第3阶到第4阶的频率变化比较大，因此在制造工艺允许的基础上，可以通过适当调整支架的尺寸或者形状，使车架的固有频率变化平缓、没有突变。

3 结论

（1）汽车仪表板横梁支架的低阶模态频率为55.031 Hz，处于合适的范围内，远离发动机怠速激振频率。由于各阶模态频率值较大，故一般都为局部振动，不会发生共振。

（2）由汽车仪表板横梁焊接支架前6阶固有频率和振型可知，进行结构分析时要重点考虑驾驶舱面板左右安装支架、中部左右连接支架以及离合器踏板支架等部件。

［1］ 萧龙翔.振动结构模态分析基础［M］.天津：天津大学出版社，1991：75－101.

［2］ 许本文，焦群英.机械振动与模态分析基础［M］.北京：机械工业出版社，1990：35－67.

［3］ 李丽.货车车架CAE工程应用研究［D］.武汉：华中科技大学，2008.

ANSYS－based modality analysis of cross car beam

Zhou Fangming1，Yan Yi1，Su Chen2，Chi Jinbo3
（1.Provincial Key Laboratory of Advanced Welding Technology，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；2.Pan Asia Automotive Technical Center Co.，Ltd.，Shanghai 201201，China；3.Shanghai Heda Auto Accessory Co.，Ltd.，Shanghai 201712，China）

ANSYS，a finite element analysis software，was employed to analyze the modality of the cross car beam，and the first six－order inherent frequency and vibration mode of the beam were obtained.The results show that the excitation frequency of the low－order natural frequency of the cross car beam is far away from the car engine＇s idling excitation frequency，and therefore there will never be resonance.In optimizing the beam structure，special attention should be given to the cockpit panel mounting bracket，the connecting bracket in the center，the clutch pedal bracket，and other components.

modality analysis；cross car beam；inherent frequency；vibration mode；ANSYS

TG407

A

1674－3644（2012）03－0219－03

［责任编辑 尚 晶］

2011－12－08

上海青浦区产学研合作发展基金项目（QA5302000－2009－007）；江苏高校优势学科建设工程资助项目.

周方明（1964－），男，江苏科技大学教授，博士.E－mail：zhoufangm＠263.net