CN117034709A - 一种汽车踏板振动的有限元分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种汽车踏板振动的有限元分析方法及系统，S1：建立初始整车有限元模型；S2：针对初始整车有限元模型进行模态分析，计算踏板模型与前壁板模型组成的系统模态及踏板模态；S3：若系统模态和踏板模态均能达到避频要求，则在所述初始整车有限元模型施加WOT工况激励并进行模态分析，根据踏板的振动响应，优化初始整车有限元模型，形成中间整车有限元模型；S4：在所述中间整车有限元模型上施加实际工况激励并进行模态分析，根据踏板的振动响应，进一步优化中间整车有限元模型，形成最终整车有限元模型。本发明降低了模态耦合可能性，减少了后期整改成本。
Description
技术领域
本发明涉及有限元仿真技术领域，具体涉及离合踏板、油门踏板和制动踏板共振振动分析技术。
背景技术
汽车三踏板是指离合踏板、油门踏板和制动踏板；其包括用脚操作的、可移动的踏板元件,该踏板元件固定在基础元件上并具有脚垫板。当今时代，人们的生活节奏更加紧凑，时间和效率的高要求让汽车已经成了生活必需品，汽车NVH性能也越来越被关注。各大汽车厂商也投入了大量的人力、物力和财力对整车NVH性能进行分析优化。其中，三踏板由于其与驾驶员整个驾驶过程中亲密接触，其振动问题也是厂家非常重视的问题。随着混动车型的增加，新的制动泵较传统燃油车质量和质心的变化使得前壁板模态和制动踏板的模态更加密集，增加了模态耦合可能性。
目前公开的踏板相关的专利中，与本发明相关或相似的专利不多，仅搜寻到一个有限元分析踏板的专利如下：CN107239605A公开了一种汽车离合器踏板力#位移计算方法,包括步骤：利用有限元软件仿真获得已设计的离合器膜片弹簧小端的力#位移特性曲线数据；提取离合器操作系统中各零部件设计参数；计算并绘制出离合器踏板的力#位移等相关特性曲线；利用某一瞬时坐标变换和受力关系求解并绘制出影响离合器踏板舒适性能的关键曲线；根据离合器踏板操纵舒适性原则,对离合器本身参数及操纵机构各参数进行优化,得到理想的离合器踏板力#位移曲线。本发明可用于在产品开发阶段指导离合器及其操纵系统参数的设定及优化,使离合器及其操纵系统更好的满足汽车驾驶的舒适及稳定性能,解决离合器踏板沉重及离合器打滑等问题。专利从行驶性能的刚度的角度对离合踏板进行分析优化，其主要专注点和优化点均为离合踏板系统本身，通过调整部分几何尺寸参数来满足力#位移满足设计要求。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种汽车踏板振动的有限元分析方法，以解决随着混动车型的增加，新的制动泵较传统燃油车质量和质心的变化使得前壁板模态和制动踏板的模态更加密集，增加了模态耦合可能性的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种汽车踏板振动的有限元分析方法，
S1：建立初始整车有限元模型，包括踏板模型和前壁板模型；
S2：针对初始整车有限元模型进行模态分析，计算踏板模型与前壁板模型组成的系统模态及踏板模态；
S3：若系统模态和踏板模态均能达到避频要求，则在所述初始整车有限元模型施加WOT工况激励并进行模态分析，根据踏板的振动响应，优化初始整车有限元模型，形成中间整车有限元模型；
S4：在所述中间整车有限元模型上施加实际工况激励并进行模态分析，根据踏板的振动响应，进一步优化中间整车有限元模型，形成最终整车有限元模型。
进一步，所述S3之前，若踏板模态或者前壁板模态未达到避频要求，则计算各悬置接附点到踏板响应点的振动传递函数曲线，优化幅值大于设定幅值的振动传递函数曲线所对应的传力路径上的所有结构，直至所有的所述振动传递函数曲线的幅值均小于等于设定幅值，进行所述S3。
进一步，在所述S4中，所述实际工况激励包括POT工况下的悬置被动侧振动数据、
WOT工况的悬置被动侧振动数据或者制动工况的悬置被动侧振动数据。
进一步，在所述S4中，计算得到所述踏板的振动响应后，筛选不满足设计目标的指标，并基于所述指标分析优化所述中间整车有限元模型，所述指标为振动速度、振动加速度或者位移。
进一步，在所述S3或者S4中，在所述初始整车有限元模型施加WOT工况激励前或者在所述中间整车有限元模型施加WOT工况的悬置被动侧振动数据前，需要在所述初始整车有限元模型或者中间整车有限元模型的油门踏板上添加额外力，方向为垂直油门踏板面。
一种基于上述的汽车踏板振动的有限元分析方法的汽车踏板振动的有限元分析系统，包括：
模型建立单元，配置为建立初始整车有限元模型，包括踏板模型和前壁板模型；
模态分析单元，配置为针对初始整车有限元模型进行模态分析，计算踏板模型与前壁板模型组成的系统模态及踏板模态；
判断单元，配置为判断系统模态和踏板模态是否能达到避频要求；
第一优化单元，配置为若系统模态和踏板模态均能达到避频要求，则在所述初始整车有限元模型施加WOT工况激励并进行模态分析，根据踏板的振动响应，优化初始整车有限元模型，形成中间整车有限元模型；
第二优化单元，配置为在所述中间整车有限元模型上施加实际工况激励并进行模态分析，根据踏板的振动响应，进一步优化中间整车有限元模型，形成最终整车有限元模型。进一步，若所述判断单元判断踏板模态或者前壁板模态未达到避频要求，则所述第一优化单元计算各悬置接附点到踏板响应点的振动传递函数曲线，优化幅值大于设定幅值的振动传递函数曲线所对应的传力路径上的所有结构，直至所有的所述振动传递函数曲线的幅值均小于等于设定幅值。
进一步，所述实际工况激励包括POT工况下的悬置被动侧振动数据、WOT工况的悬置被动侧振动数据或者制动工况的悬置被动侧振动数据。
进一步，所述第二优化单元计算得到所述踏板的振动响应后，筛选不满足设计目标的指标，并基于所述指标分析优化所述中间整车有限元模型，所述指标为振动速度、振动加速度或者位移。
进一步，在所述初始整车有限元模型施加WOT工况激励前或者在所述中间整车有限元模型施加WOT工况的悬置被动侧振动数据前，需要在所述初始整车有限元模型或者中间整车有限元模型的油门踏板上添加额外力，方向为垂直油门踏板面。
本发明的有益效果：
本发明先设置初始整车有限元模型并进行模态分析，在能够实现三踏板模态与前壁板模态合理避频，避免产生共振的前提下，在初始整车有限元模型上加载WOT工况激励，并根据踏板的振动响应优化初始整车有限元模型，然后在后期通过加载实车工况激励的方式，根据踏板的振动响应，进一步优化整车有限元模型，从而使三踏板振动问题在前期尽可能暴露并通过结构优化手段进行优化，降低了模态耦合可能性，减少了后期整改成本；
本发明在踏板模型与前壁板模型组成的系统模态或者踏板模态无法达到避频要求时，通过计算各悬置接附点到踏板响应点的振动传递函数曲线的方式，明确需要的结构，进一步降低了整车有限元模型的振动影响。
附图说明
图1为汽车踏板振动的有限元分析方法的流程图；
图2为三踏板和前壁板模态示意图；
图3为三踏板的VTF函数图；
图4为整车WOT工况三踏板振动响应图；
图5为加速工况下油门踏板添加额外负载示意图；
图6为汽车踏板振动的有限元分析系统的结构图。
其中，1-模型建立单元；2-模态分析单元；3-判断单元；4-第一优化单元；5-第二优化单元。
具体实施方式
以下将参照附图和优选实施例来说明本发明技术方案的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本实施例提出了一种汽车踏板振动的有限元分析方法，如图1所示，方法具体为：
步骤1，建立初始整车有限元模型，包括三踏板模型和前壁板模型，然后进行包括网格划分和相对运动关系建模。
步骤1具体为根据产品设计部门发布的数据建立整车模型，包括三踏板的有限元模型和前壁板的有限元模型，并通过1D单元调整部分零部件自由度使其满足正确且合理的运动关系。对于制动系统的助力泵等结构，一般没有内部详细结构，可通过Shell单元模拟其外部轮廓，内部填充实体网格，并按照设计部门提供的质量和质心调整材料密度等参数，保证其质量、质心等参数与设计一致。制动泵系统内部零部件的搭接根据实际搭接情况进行模拟。
本实施例中，在HyperWorks或者其他建模软件中完成整车模型搭建，三踏板模型均按照其处于初始状态的CAD数据建模，通过1D单元刚度释放其旋转自由度。初始整车有限元模型按照建模指南要求完成模型检查。
本实施例中的三踏板模型包括制动踏板模型、油门踏板模型以及离合器踏板模型。
步骤2，针对初始整车有限元模型进行模态分析，计算踏板模型与前壁板模型组成的系统模态及踏板模态。
步骤2具体为计算整车模态，由于整车模型计算模态结果文件太大，且前壁板模态不容易识别，建议通过截取部分模型计算模态，截取模型的要求为距离踏板和前壁板距离800mm以上，并约束截取模型断面节点，计算0-100Hz范围内模态，在结果文件中识别踏板模态和前壁板，因前壁板模态较复杂，识别模态时通过频响曲线辅助识别，并完成模态分布表。
本步骤中，按照模态分析规范设置模态计算边界，并提交NASTRAN或者OPTISTRUCT等求解器进行模态计算。由于整车模型计算模态结果文件占用太大存储空间，且前壁板模态不容易识别，在具体操作中通过截取部分模型计算模态，截取模型的要求为距离踏板和前壁板距离800mm以上，并约束截取模型断面节点，计算0-100Hz范围内模态。将计算得到的结果文件在HyperView软件中进行后处理模态识别，重点关注三踏板和前壁板组成的系统模态以及三踏板弹性模态。
并完成模态分布表，模态分析结果如图2所示，模态分布表如表1所示。
表1模态分布表
步骤3：判断三踏板和前壁板组成的系统模态以及三踏板弹性模态是否满足避频要求，本实施例中避频要求需要满足3HZ，比如某个踏板模态80hz，那么系统模态就必须低于77或者高于83，若满足避频要求则进入步骤5，不满足则进入步骤4。
步骤4，计算悬置接附点到踏板响应点的VTF并优化。
该步骤中，如图3所示，计算各个悬置接附点到三踏板响应点的振动传递函数曲线(VTF)，即各个悬置接附点在X、Y、Z三个方向上到油门踏板、制动踏板以及离合器踏板的振动传递函数曲线。然后判断每个振动传递函数曲线的峰值是否大于峰值阈值，若大于，则振幅过大，进而将该振动传递函数曲线所对应的传递路径的所有结构进行优化，直至所有的振动传递函数曲线的幅值均小于等于幅值阈值。
VTF计算前处理在HyperWorks软件完成，计算用NASTRAN或者OPTISTRUCT求解器，后处理在HyperView中完成。
步骤5，在初始整车有限元模型中施加WOT工况激励，计算WOT工况下三踏板额振动响应，并根据振动响应结果，优化初始整车有限元模型，一般情况下优化对象为前壁板加强及悬置到踏板安装点的路径加强，形成中间有限元模型。本实施中的油门踏板的振动响应结果如图4所示。
步骤5中，根据步骤2得到的模态分布表，如果分布表中的关重模态能够合理避频，或者步骤3中VTF优化达标后，计算WOT工况下的踏板振动响应，并结合目标评估产品三踏板振动风险。在计算WOT工况下油门踏板振动时，需要在油门踏板上添加额外力，力的大小通过模型对标来确定，方向为垂直油门踏板面。具体实施方式为在油门踏板面上垂直添加弹簧作用，其刚度大小和阻尼根据模型精度对标确认。前处理在HyperWorks软件完成，计算用NASTRAN或者OPTISTRUCT求解器，后处理在HyperView中完成。
在整车模型下添加WOT工况激励，由于三踏板振动一般出现的工况为POT工况或者制动工况，在前期计算WOT工况下的踏板振动，是因为前期没有办法得到POT或者制动工况的激励数据。但是因为WOT工况激励数据一般较POT或者制动工况激励数据更大，前期可通过添加WOT激励数据评估踏板振动特性，并结合目标评估其风险。如图5所示，在计算WOT工况和POT等加速工况下油门踏板振动时，需要在油门踏板上添加额外力，力的大小通过模型对标来确定，方向为垂直油门踏板面。
步骤6，在中间整车有限元模型上施加实际工况激励并进行模态分析，根据踏板的振动响应，进一步优化中间整车有限元模型，形成最终整车有限元模型。
本实施例中的实际工况激励包括POT工况下的悬置被动侧振动数据、WOT工况的悬置被动侧振动数据或者制动工况的悬置被动侧振动数据。
计算得到踏板的振动响应后，筛选不满足设计目标的指标，并基于指标分析优化所述中间整车有限元模型，所述指标为振动速度、振动加速度或者位移。
提取三踏板出现振动问题对应工况下的悬置被动侧振动数据进行验算，并完成分析优化。
例如，油门踏板在加速工况下的振动加速度不满足目标，那么如何实现分析优化呢？先进对这个结果进行原因分解，首先是看激励端，也就是发动机给的激励，如果是发动机激励过大，那就可以通过电喷数据调整去把发动机激励给降下来，如果是传递路径的问题，就跟前述步骤4的优化方式相同。
步骤6具体为杂合车阶段，通过测试部门提取问题工况下的悬置被动侧振动数据加载到整车模型，计算三踏板振动响应，并对响应超标的指标进行分析优化。同样的，计算WOT工况油门踏板振动需要添加额外的负载，具体方式同步骤5。本实施例中的指标表示振动速度、振动加速度和位移。
步骤6，杂合车阶段，测试部门会根据杂合车实车表现评估工装车的风险，根据杂合车实车表现可以预估产品的三踏板振动情况。对存在问题的工况，测试部门提取出悬置被动侧振动数据，仿真加载此数据计算对应公况下踏板的振动响应，并与设计目标比较，对不满足目标的指标进行分析优化。计算前处理在HyperWorks软件完成，计算用NASTRAN或者OPTISTRUCT求解器，后处理在HyperView中完成。
本实施例还提出了一种汽车踏板振动的有限元分析系统，基于上述分析方法，如图6所示。包括：
模型建立单元1，配置为建立初始整车有限元模型，包括踏板模型和前壁板模型；
模态分析单元2，配置为针对初始整车有限元模型进行模态分析，计算踏板模型与前壁板模型组成的系统模态及踏板模态；
判断单元3，配置为判断系统模态和踏板模态是否能达到避频要求；
第一优化单元4，配置为若系统模态和踏板模态均能达到避频要求，则在所述初始整车有限元模型施加WOT工况激励并进行模态分析，根据踏板的振动响应，优化初始整车有限元模型，形成中间整车有限元模型；
第二优化单元5，配置为在所述中间整车有限元模型上施加实际工况激励并进行模态分析，根据踏板的振动响应，进一步优化中间整车有限元模型，形成最终整车有限元模型。
若判断单元3判断踏板模态或者前壁板模态未达到避频要求，则第一优化单元4计算各悬置接附点到踏板响应点的振动传递函数曲线，优化幅值大于设定幅值的振动传递函数曲线所对应的传力路径上的所有结构，直至所有的振动传递函数曲线的幅值均小于等于设定幅值。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种汽车踏板振动的有限元分析方法，其特征在于：
S1：建立初始整车有限元模型，包括踏板模型和前壁板模型；
S2：针对初始整车有限元模型进行模态分析，计算踏板模型与前壁板模型组成的系统模态及踏板模态；
S3：若系统模态和踏板模态均能达到避频要求，则在所述初始整车有限元模型施加WOT工况激励并进行模态分析，根据踏板的振动响应，优化初始整车有限元模型，形成中间整车有限元模型；
S4：在所述中间整车有限元模型上施加实际工况激励并进行模态分析，根据踏板的振动响应，进一步优化中间整车有限元模型，形成最终整车有限元模型。
2.根据权利要求1所述的汽车踏板振动的有限元分析方法，其特征在于：所述S3之前，若踏板模态或者前壁板模态未达到避频要求，则计算各悬置接附点到踏板响应点的振动传递函数曲线，优化幅值大于设定幅值的振动传递函数曲线所对应的传力路径上的所有结构，直至所有的所述振动传递函数曲线的幅值均小于等于设定幅值，进行所述S3。
3.根据权利要求1所述的汽车踏板振动的有限元分析方法，其特征在于：在所述S4中，所述实际工况激励包括POT工况下的悬置被动侧振动数据、WOT工况的悬置被动侧振动数据或者制动工况的悬置被动侧振动数据。
4.根据权利要求3所述的汽车踏板振动的有限元分析方法，其特征在于：在所述S4中，计算得到所述踏板的振动响应后，筛选不满足设计目标的指标，并基于所述指标分析优化所述中间整车有限元模型，所述指标为振动速度、振动加速度或者位移。
5.根据权利要求3所述的汽车踏板振动的有限元分析方法，其特征在于：在所述S3或者S4中，在所述初始整车有限元模型施加WOT工况激励前或者在所述中间整车有限元模型施加WOT工况的悬置被动侧振动数据前，需要在所述初始整车有限元模型或者中间整车有限元模型的油门踏板上添加额外力，方向为垂直油门踏板面。
6.一种基于权利要求1-5任一所述的汽车踏板振动的有限元分析方法的汽车踏板振动的有限元分析系统，其特征在于：包括：
模型建立单元，配置为建立初始整车有限元模型，包括踏板模型和前壁板模型；
模态分析单元，配置为针对初始整车有限元模型进行模态分析，计算踏板模型与前壁板模型组成的系统模态及踏板模态；
判断单元，配置为判断系统模态和踏板模态是否能达到避频要求；
第一优化单元，配置为若系统模态和踏板模态均能达到避频要求，则在所述初始整车有限元模型施加WOT工况激励并进行模态分析，根据踏板的振动响应，优化初始整车有限元模型，形成中间整车有限元模型；
第二优化单元，配置为在所述中间整车有限元模型上施加实际工况激励并进行模态分析，根据踏板的振动响应，进一步优化中间整车有限元模型，形成最终整车有限元模型。
7.根据权利要求6所述的汽车踏板振动的有限元分析系统，其特征在于：若所述判断单元判断踏板模态或者前壁板模态未达到避频要求，则所述第一优化单元计算各悬置接附点到踏板响应点的振动传递函数曲线，优化幅值大于设定幅值的振动传递函数曲线所对应的传力路径上的所有结构，直至所有的所述振动传递函数曲线的幅值均小于等于设定幅值。
8.根据权利要求6所述的汽车踏板振动的有限元分析系统，其特征在于：所述实际工况激励包括POT工况下的悬置被动侧振动数据、WOT工况的悬置被动侧振动数据或者制动工况的悬置被动侧振动数据。
9.根据权利要求6所述的汽车踏板振动的有限元分析系统，其特征在于：所述第二优化单元计算得到所述踏板的振动响应后，筛选不满足设计目标的指标，并基于所述指标分析优化所述中间整车有限元模型，所述指标为振动速度、振动加速度或者位移。
10.根据权利要求8所述的汽车踏板振动的有限元分析系统，其特征在于：在所述初始整车有限元模型施加WOT工况激励前或者在所述中间整车有限元模型施加WOT工况的悬置被动侧振动数据前，需要在所述初始整车有限元模型或者中间整车有限元模型的油门踏板上添加额外力，方向为垂直油门踏板面。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311055273.1A CN117034709A (zh) | 2023-08-21 | 2023-08-21 | 一种汽车踏板振动的有限元分析方法及系统 |
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| CN202311055273.1A CN117034709A (zh) | 2023-08-21 | 2023-08-21 | 一种汽车踏板振动的有限元分析方法及系统 |
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