汪小朋，岳濤，李強，汪東斌

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

隨著汽車保有量迅速增長，車輛的安全性能越來越受到人們的關注。安全氣囊是現(xiàn)代汽車被動安全系統(tǒng)里的重要部件。如果碰撞傳感器安裝點選擇不當，就會影響氣囊起爆時間而影響氣囊對乘員的保護效果，有可能在汽車正常行駛時由于顛簸振動引爆氣囊。傳感器安裝位置的動態(tài)剛度對于傳感器在碰撞過程中感受信號有極大的影響。當安裝位置的動剛度較低時，碰撞過程中局部會發(fā)生嚴重振動，如果振動的頻率在傳感器感應的頻率范圍內(nèi)，則將無法區(qū)分振動信號和實際的碰撞信號，這就可能影響氣囊的點火判斷，嚴重時會發(fā)生在正常行駛時，由于共振而引起氣囊的誤點火。因此，為防止誤爆引發(fā)糾紛事件，對傳感器安裝部位的動態(tài)特性提出了更高的要求[1]。

江淮某款車型采用的是大陸側(cè)碰傳感器，安裝在車身B柱、縱梁等部位，要求安裝部位在汽車非碰撞情況下，0～500Hz范圍內(nèi)的激勵不能產(chǎn)生共振，即頻響曲線不能有峰值。本文利用MSC Nastran有限元分析軟件，進行頻響分析與試驗，找到峰值原因，通過改變側(cè)碰傳感器安裝的位置，得到符合設計要求的安裝點，通過試驗驗證，消除了氣囊誤爆的風險。

1 頻響分析基本理論

結(jié)構(gòu)在動力載荷作用下，產(chǎn)生的響應有位移、速度或加速度三個運動量。因而，機械阻抗（導納）有六種表示形式，即位移阻抗（導納），速度阻抗（導納），加速度阻抗（導納），而同一系統(tǒng)這六種函數(shù)又是相互聯(lián)系的。

在車身結(jié)構(gòu)激勵點動剛度設計中經(jīng)常涉及兩種函數(shù)即位移阻抗函數(shù)和加速度導納函數(shù)。位移阻抗即為動剛度（Dynamic stiffness），其物理含義是指引起單位位移量所需要的動態(tài)力，用于衡量結(jié)構(gòu)抵抗預定動態(tài)激擾能力的特性。另外一個常常用到的概念是加速度導納函數(shù)（IPI（Input Point Inertance）），其物理意義是單位激振力所產(chǎn)生的加速度量。兩者之間的關系存在著積分倒數(shù)的關系，動剛度越大，相應的加速度導納越小，兩者是同一事物不同的表達。

動剛度分析屬于頻率響應分析，它是用來計算結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)振動激勵下響應的方法，在頻率響應分析中，激勵載荷在頻域中顯式定義，對于每一個加載頻率外載都是已知的。在頻率響應分析中，有兩種不同的數(shù)值方法供選擇，直接法和模態(tài)法。通常，大模型采用模態(tài)頻率響應法計算更為高效。

研究振動系統(tǒng)通常取其強迫振動時頻率響應函數(shù)的幅值，即系統(tǒng)的幅頻特性進行研究和評價。單自由度系統(tǒng)在簡諧激振作用下的運動微分方程寫成指數(shù)形式為：

其中，m為質(zhì)量，c為阻尼系數(shù)，k為剛度，F(xiàn)為激振力幅值，ω為強迫振動圓頻率。假設，帶入運動微分方程可得其強迫振動解：

可以看出，強迫振動位移與激振力幅值成正比，令比例因子：

2 建模分析及準確性驗證

2.1 評價標準

對側(cè)碰傳感器及其安裝點的性能要求，采用大陸公司的標準。該標準給出了安裝點動態(tài)響應加速度導納峰值曲線。對頻率0～500Hz范圍內(nèi)的激勵不能產(chǎn)生共振，即加速度導納峰值不超過標準線，如圖1所示。

圖1 加速度導納曲線評價標準

2.2 分析模型及邊界條件

對白車身焊點采用ACM單元模擬，螺栓和二保焊均用剛性單元RBE2模擬，正確的給單元賦予材料屬性，包括彈性模量、泊松比、密度。在傳感器安裝部位，對網(wǎng)格進行細化處理，以保證計算的精度，利用整車模型進行中、高頻(100～500Hz)動剛度分析需要花費大量資源和求解時間，因此本文截斷的為白車身部分模型，截取部位采用約束[3]，如圖2所示。

圖2 有限元模型

建立好車身有限元模型后，需要在傳感器安裝部位施加單位載荷，獲得傳感器安裝點的加速度曲線，考慮到碰撞傳感器的特性，頻率取0～500 Hz，施加載荷沿整車Y向(橫向)，最后利用Nastran軟件完成計算。

2.3 準確性驗證

根據(jù)提供的碰撞傳感器的性能要求，其安裝點區(qū)域動態(tài)響應曲線在0-500 Hz范圍內(nèi)不能產(chǎn)生較大的共振，不超過標準線，而由仿真結(jié)果可見，在400～490Hz超出評價標準線，在440Hz出現(xiàn)較大的峰值，不滿足設計要求。

圖3 傳感器安裝位置頻響曲線

為了驗證仿真精度，在試驗室內(nèi)進行安裝部位的錘擊試驗，以得到實際的頻響曲線，用帶有塑料頭的力錘敲擊沿整車Y軸方向作用，圖4為試驗示意圖，仿真試驗結(jié)果如圖5所示。

圖4 錘擊試驗示意圖

圖5 仿真與試驗頻響曲線對比

由圖5可知，仿真與試驗結(jié)果曲線趨勢一致性較好，精度滿足要求，安裝位置頻響曲線較差，超出了標準曲線，且在440Hz處產(chǎn)生較大的共振，說明側(cè)碰傳感器安裝位置結(jié)構(gòu)的遠遠不能滿足要求。

3 優(yōu)化方案制定

3.1 優(yōu)化方案

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是側(cè)碰傳感器安裝點局部動剛度低所致，使得在頻率范圍內(nèi)沒有達到動態(tài)特性要求，應對安裝部位結(jié)構(gòu)予以加強。由于此時車體結(jié)構(gòu)已經(jīng)定型，考慮到模具成本，B柱結(jié)構(gòu)不便改變，經(jīng)過可行性分析，從整體角度提出兩套方案[4]：

（1）選擇在B柱內(nèi)側(cè)增加一個1.5mm厚的加強板，通過焊接的方式和安裝的部位連接，為連接方便，加強板的結(jié)構(gòu)形狀參考安裝位置的形狀，如圖6。

圖6 方案1（增加加強板）

（2）更換安裝點位置。將安裝點位置由B柱移至門檻位置，如圖7。

圖7 方案2（更換安裝點位置）

3.2 優(yōu)化方案分析

優(yōu)化方案分析結(jié)果如圖8所示，方案1相比改進前加速度導納曲線略有下降，仍不滿足要求，方案2加速度導納曲線低于標準線，滿足要求，需進一步經(jīng)錘擊試驗驗證。

圖8 方案1、2分析結(jié)果

3.3 優(yōu)化方案驗證

對方案2做錘擊試驗，經(jīng)測試改進后側(cè)碰傳感器安裝點法向動態(tài)特性在頻率范圍內(nèi)達到標準要求。

圖9 方案2仿真與試驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文利用有限元對側(cè)碰傳感器安裝點進行頻率響應分析，得到其動態(tài)特性，與試驗結(jié)果一致性較好，并通過優(yōu)化改進傳感器安裝點位置，達到了安裝的動態(tài)性能要求，消除了氣囊誤爆的風險，頻響分析技術為公司車型開發(fā)提供了支撐。

參考文獻

[1] 裴建杰,劉建偉.汽車側(cè)碰傳感器安裝點頻響分析與試驗[J].燕山大學學報,2011.11.第35卷第6期:508-511.

[2] 靳曉雄,張立軍,江浩.汽車振動分析[M],上海:同濟大學出版社,2002.

[3] 盛杰,谷海波.某車型側(cè)碰傳感器位置布置方法的研究[J].科技論壇.2012.

[4] 毛凌麗,門永新,趙福全等.某轎車碰撞傳感器安裝點動態(tài)剛度仿真分析與優(yōu)化[C].第六屆中國 CAE工程分析技術年會論文集,2010.