基于道路谱载荷的敲击异响仿真浅谈

引言

前期我们已经在《模态分析在异响开发中的应用》，《异响CAE中的卡扣灵敏度分析》等文章分享了在工程数据设计阶段应用模态基频和密度，卡扣灵敏度对内饰件异响进行间接管控的方法，今天我们将与大家一起探讨内饰件异响直接管控方法--基于道路谱载荷的敲击异响仿真。

为什么要做敲击异响分析

统计数据显示，内饰件异响在整车异响中占比较高，汽车内饰件异响控制越来越受到从业人员的重视。在工程数据设计阶段的异响开发中，基于内饰件模态及卡扣灵敏度的分析暂不能完美规避内饰敲击异响风险，针对主副仪表以及车门内饰板的量化敲击异响分析工作，重在研究内饰系统在真实道路谱载荷下发生敲击异响的概率，并提出合理的结构优化方案，势在必行。

图1 异响问题五大范畴统计   （注：统计结果来源于郭佑民博士培训材料《异响性能分析，优化与管控策略》）

敲击异响分析与模态、灵敏度分析的区别

模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。通过模态分析方法计算出结构在易受影响频率段的各阶主要模态的特性，便可评估出结构在此频段内在各个振源产生的实际振动响应。模态是整个系统的整体运动，单凭这个来考量内饰件是否发生异响，显然是不够的。

内饰件卡扣（振动）灵敏度是指车身侧悬架弹簧接附点到内饰卡扣接附点的振动灵敏度。该灵敏度反应内饰件卡扣对来自悬架激励的敏感性，降低该灵敏度能显著改善卡扣的受力环境，从而降低实车异响风险。灵敏度分析研究的是内饰件内部各个零部件连接卡扣，深入到系统内部结构，与模态分析相比有很大进步。

敲击异响分析是指在道路谱激励下得到重叠线之间法向相对位移，然后将其与最小设计间隙比较，基于六西格玛原理计算发生敲击概率的一种方法。此方法研究的是发生敲击的两个件之间的相对运动关系，并且考虑了异响路谱载荷，比模态和灵敏度分析研究的更加直接和深入。

内饰异响风险控制过程和树的结构是一样的，控制模态是树干，灵敏度是计算到枝丫，敲击可以控制每一片树叶的间隙，我们希望有强壮的树干，分布均匀且能抵挡强风暴雨的枝丫以及密度间隙合理的树叶。

图2 异响风险控制的三类仿真手段

敲击分析如何做

敲击异响仿真需要内饰件详细的DTS数据，样车测试得到的路谱载荷以及详细内饰数据的车身模型即可。敲击异响仿真流程如图3所示：

图3 敲击异响流程示意图

在异响分析中可以根据实测的路面载荷，经过数据处理后得到可加载的时域位移信号。在数据采集过程中应注意以下几点：

图4 常见异响测试路面及参考车速

图5 测试数据处理结果参考

敲击异响结果如何评价及管控

敲击异响是通过有限元技术计算在道路谱载荷下零部件重叠面或点的法向相对位移与尺寸技术规范（DimensionalTechnical Specification简称“DTS”）来评判的。

当法向最大相对位移＜设计最小间隙时，零部件接触概率为0，不会发生敲击异响；

图6 相对位移＜设计最小间隙示意图

当法向最大相对位移≥设计最小间隙时，两饰件可能会接触，会有一定的概率导致敲击异响发生。

图7 相对位移≥设计最小间隙示意图

在生产质量管理中，尺寸公差基本都符合正态分布规律。实际生产间隙公差特性“x”可以用正态分布来描述其取值的规律。其概率密度函数为：

基于道路谱载荷下内饰件重叠线的相对位移前20%最大正值的均值（Relative displacement）与设计提供的DTS表中间隙公差Gap&Tolerance的差值，应用统计学的六西格玛方法量化两者发生敲击异响的概率^[1]。

图8 六西格玛统计示意图

假设仪表板中部装饰板与手套箱总成间隙设计为Gap=1mm，公差为Tolerance=0.5mm，那么它们实际间隙可能在0.5-1.5mm之间。那么当相对位移为1mm时，发生敲击的概率是50%，这里有个误区，可能有人会觉得这个概率应该是100%。

图9 最大相对位移曲线及敲击概率计算示意图

基于模态贡献量及设计数据审查后发现：副仪表台侧盖内部刚度不足（加强筋数量较少），内饰板重叠线卡口分布不合理（卡口稀疏）。通过对侧盖板加强筋结构优化和重叠线增加一个卡口，此重叠线最小相对位移由0.36mm降至0.26mm，敲击异响概率由81.59%降低至27.43%，达到了预期优化效果。优化方案示意图如下。

图10 副仪表台重叠线区域结构优化方案示意图

小结

本期小编简要分享了异响仿真三类手段循循渐进的关系，并针对敲击异响仿真中载荷处理及风险评估做了重点介绍。详细内饰件模态和传递函数分析保证内饰件框架结构的整体刚度足够和低灵敏度特性，这是间接控制手段。敲击异响分析是道路谱激励直达内饰件重叠线，此方法更加直接和高效。

参考文献

[1] Jens Weber andIsmail Benhayoun SAAB Automobile AB,“Squeak & RattleCorrelation in Time Domain using the SAR LINE™ Method,”SAE International doi:10.4271/2012-01-1553.