洪金涛陈桂均
（南京依维柯汽车有限公司）
摘要
针对某商用车前保险杠前期设计数模进行模态分析，到结构设计中的缺陷及与设定目标值的差距，并制定不同方向的改进措施。通过实施不同改进措施的模态分析，到各个措施对模态改进的贡献，最终使前保险杠前三阶固有频率达到目标值。
关键词：商用车前保险杠模态分析
1 前言
随着 CAE 技术在汽车开发中的广泛应用，模态分析在前保险杠前期开发中对结构设计及优化发挥重要的作用。欠佳的前保险杠设计，使得零部件的固有频率过低，接近路面及发动机等主要振动源的激励频率，往往导致前保险杠振动过大，零部件过早开裂及结构损坏，缩短产品寿命周期，增加更换频次，从而引起客户抱怨及影响产品的竞争力。越早发现前保险杠的设计不足，越利于节约开发时间及成本。在试制部件
、试制样车等实物没有出来前，运用 CAE 仿真对前保险杠进行模态分析是发现设计不足的有效方法之一。
2 模态分析理论
模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用【1】。对于一个多个自由度系统，模态分析是对结构的动态特性运用数值方法进行解析分析，考察其结构的固有频率、阻尼比和振型等模态参数。模态分析的核心内容是确定描述结构系统动态特性的参数【2】。其解的特征值表示为系统的固有频率，对应的特征向量表示为相应的固有振型。对于具有多个自由度系统的振动微分方程为【3】：
m··x+c·x+k x=f(t)（1）式中m———质量矩阵
··x———位移向量对时间的二阶导数
C—
——阻尼矩阵
K———刚度矩阵
X———位移矩阵
(t)—
——外部加载力向量t———时
间
考虑实际阻尼小，对固有频率和振型影响可忽略，即 c=0；另没有外部加载力，即 f(t)=0，（1）式可简化为：
m·x·+k x=0（2）假设其解为简谐函数形式：
x=asinωt （3）式中a———特征向量或振型
ω—
——系统固有频率
把（3）式代入（2）整理后得特征方程为：
(k-mω2)a=0 （4）（4）式有非零解条件为矩阵行列式为0，即：
|k-mω2|=0 （5）通过对（5）式求解，可以解得不同的特征值及对应的特征向量，亦表示在各阶矢量下，对应的各阶的固有频率，以及各阶固有振型。
3 计算模态分析
3.1 模型描述
计算模态分析是利用有限元原理，运用hy- pe r m e s h软件对零部件结构进行网格划分、迭代运算等分析。此商用车为非承载式车身，前保险杠通过连接支架安装在车架上，通过限制前保险杠安装支架6个方向的自由度，来表示用螺栓连接前保险杠到车架上；前大灯、前面罩框及格栅固定在车身上。前保险杠零件材料清单如表1，材料参数如表2。
表 1 前保险杠零件材料清单
表2 前保险杠材料参数
相关部件的几何模型如图1 所示。
图1 前保险杠及相关零部件CAD 模型
3.2 边界定义及目标值
边界定义如下图 2。考虑路面激励频率大约
在 0～25Hz，发动机的工作频率 27Hz 左右，再根
据以往的经验，设定前保险杠频率目标值大于
30Hz。
把前保险杠及相关部件的C AD模型导入hy-
pe r m e s h软件进行网格划分，定义边界条件，迭代
运算求出数值解，把数值解与几何模型联系起来
并形象的显示出来。对于前保险杠与车架螺栓连
接，各安装孔采用四边形单元，对于前保各零件的
超声波焊接采用共节点的方式。其中前保险杠及图2 边界定义
3.3 计算结果
通过计算及后处理，其各阶计算结果如下表3 所示，各阶模态结果显示如下图3～图5 所示。通过模态分析，计算结果均小于目标值，不符合要求，需要改进结构设计。
表3 各阶计算结果
4 结构改进
4.1 改进措施
通过对前保险杠及相关部件前三阶的模态分析，发现前三阶固有频率均小于目标值，偏低，尤其一阶模态过低，在前雾灯、前保险杠两端强度较弱，振动偏大，这些为结构设计优化提供了改进方向。
改进一：①在原左右安装支架上增加加强支架，同时改变原安装支架形状。其结构优化 CAD 模型如图6 所示。
图 3 前保险杠及相关部件第一阶模态
改进前改进后图 6 前保险杠安装支架改进前后
图 4 前保险杠及相关部件第二阶模态图 5 前保险杠及相关部件第三阶模态
②增加前雾灯安装支架强度。前雾灯安装在支架，支架通过超声波焊接在前保本体，其结构优化CAD 模型如图7 所示。
改进前改进后
图7 前雾灯支架改进前后
③增加上下方向加强支架，不仅可以增加前保两端强度，还可以减轻前保上端离下部固定点较远、可能存在零件外胀的风险。其结构优化 CAD 模型如图8 所示。
改进前改进后
图8 前保两端增加加强支架改进前后
表 4 各改进措施对一阶模态影响
改进后各阶计算结果如表5，模态结果显示如图
11～图
13
所示。
改进二：踏板安装支架料厚由“1.5mm”改为
“2.5mm”，改进部位如图9所示。
图9 踏板安装支架改进
表5 改进后各阶计算结果
改进三：减少前保下部翻边长度，改进部位如
图10 所示。
图10 前保下部翻边长度改进
图11 改进后前保险杠及相关部件第一阶模态
4.2 改进后模态分析
首先考虑：①实施改进一；②同时实施改进
一、二；③同时实施改进一、二、三，这些改进措施
对提高一阶模态的影响，汇总结果如表4。
图12 改进后前保险杠及相关部件第二阶模态
（下转第 43 页)
隐含着另一种风险：鉴于采用水基磨削液后的冷却速度快，表面产生的二次淬火马氏体会增多，晶格变化、体积缩小，而它的下层则因冷却缓慢成为硬度较低的回火组织，从而增大了工件表面产生残余拉应力的倾向。当形成的拉应力一旦超过了材料的强度极限，表面就会出现裂纹。
然而随着越来越多企业在凸轮轴、曲轴等零件的加工中采用 CBN 磨削技术，上述隐患正在不断减小。CBN 磨料与其它磨料相比，有着更高的硬度和强度，切削锋利且耐磨，因而具备了优化各种磨削参数的条件。如大大提升了砂轮线速度后，不但提高了磨削效率，还可明显降低磨削力，随之磨削热也减小了，从而工件表面的温度必然会相应下降。另一方面，自本世纪初起，一些主流发动机企业在进行轴类
零件的磨削加工时，已出现了由油基冷却液逐渐取代水基冷却液的趋势，而执行干磨工艺的企业也在增多。这一切都表明，相比之下工件表面磨削烧伤表现为风险远低于硬度的下降。实验室对取自生产线的工件样品的测试结果验证了这一点，无论是德国大众汽车系统的企业所生产的轴类零件，他们采用的生产工艺一般为利用CBN 砂轮进行一次性磨削和使用油基冷却液。相比之下，国内的绝大多数企业在加工类似产品时，基本上选用的都是水基切削液，不少发动机厂或专业零部件厂在粗磨时会选取白刚玉砂轮，而在精磨时再选用CBN 砂轮。曾在国内的一家代表性发动机厂取了若干根凸轮轴，采用X 衍射仪对它们进行残余应力检测，获得的试验结果同国外工件的测试报告很相似，两者工件表面残余应力的实测值均为 --500MPa 左右。
参考文献
1 达世亮. 汽车制造切削加工系统工程及应用. 机械工业出版社，2009（1）
2朱正德. 提升企业磨削烧伤检测的应用水平及相关评定参数的影响分析.《轻型汽车技术》，2013（3）
（上接第 28 页)
图13 改进后前保险杠及相关部件第三阶模态同的结构优化措施对提高频率的贡献不同；
（2）前期结构设计，往往通过改变结构形式，增加加强板、增加零件料厚、增加加强筋、改用高强板
等方面入手，来不断优化结构，最终达到设定的目标值；
（3）结构设计不是一蹴而就的，是一个不断优化改进的过程，其中 CAE 技术是部件性能改进的有力分析工具。
5 结束语
通过对某商用车前保险杠前期设计数模进行模态分析，发现设计缺陷，实施改进措施，最终使总成前三阶固有频率达到目标值，其结果表明：（1）模态分析为结构优化提供改进方向，不
汽车保险杠参考文献
1管迪华〃模态分析技术. 【M】J北京：清华大学出版社，1996〃
2郑兆昌〃汽车车架的同有频率和振型计算[J]〃汽车技术，1982（2）
3 G.R.Liu.S.S.Quek 著. 尤术尧等译. 有限元法实用教程. 长沙：湖南大学出版社, 2004
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