汽車副儀表板多學科優化的CAE應用

汪念 王凡 陶鈞

摘要：基于汽車內飾件設計中的性能要求，需要對副儀表板同時進行模態和頭碰CAE分析。一般情況下，一階模態為Y方向橫擺，提高模態需要加強副儀表板連接地板的支架;頭碰反加速度往往偏高，需要減弱副儀表板連接地板支架。振動和碰撞安全的優化區域重合，優化方向相反。使用多學科CAE優化的方法，可以實現兩個性能協同優化，同時滿足性能目標。

關鍵詞：振動;碰撞安全;優化

中圖分類號：U463.7 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）02-0055-04

汪念

畢業于武漢理工大學，現就職東風延鋒汽車飾件系統有限公司，任CAE工程師，主要研究方向為汽車內飾CAE。

1項目背景

隨著汽車的不斷普及，消費者對汽車性能的要求越來越高，這使得汽車的設計者需要不斷優化汽車的各種性能來提高汽車品質，以迎合消費者的需求。在汽車的眾多性能中，副儀表板的振動和碰撞安全非常重要，直接影響舒適性和乘員安全。本文以某量產車型為例，討論如何在汽車副儀表板的設計兼顧這兩種性能。

為了滿足振動、碰撞安全要求需要進行模態和頭碰CAE分析，并成滿足以下要求：1.一階模態≥34Hz;2.頭碰的3ms反加速度≤72g。

一階模態頻率太低，副儀表板會和發動機的怠速頻率共振，產生異響，影響乘坐舒適性和駕駛體驗。一般要求一階模態頻率大于汽車怠速激勵頻率即≥34Hz，這就需要提高結構剛度以提高模態。

頭碰的反加速度太高會增加在碰撞過程中副儀表板對乘員造成的傷害，按照內突法規GB_11552要求，需要頭碰反加速度不大于80g，考慮到CAE分析誤差，一般在頭碰CAE分析中要求頭碰的3ms≤72g。為了降低頭碰反加速度，往往需要降低結構剛度。

在設計中需要兼顧到模態和頭碰的平衡，而這兩種性能的優化方向反，且影響區域重合。要解決這種問題，就需要利用多學科CAE優化，同時滿足這兩種性能要求。

2分析過程

2.1模型建立

副儀表板總成由多個零件組成，通過HYPERMESH進行幾何清理后分別劃分網格，網格類型為殼單元;然后將各零件進行裝配，為保證計算的精確度，需要調整各配合邊界，確定網格無初始穿透。

副儀表總成的各零件之間固定方式很多，一般來說，由焊接、螺釘、卡扣、定位等方式連接。按照副儀表板和周圍環境件的固定方式，對邊界條件進行相應約束。

2.2材料設置

副儀表板使用的材料按照零件不同，有PP、ABS、PC/ABS、鈑金等，并且相同種類的塑料，牌號也非常的多;同理，飯金材料也有很多不同牌號。

模態CAE分析軟件為OptiStruct，材料卡片都采用線性材料Matl，主要參數為彈性模量、密度和泊松比。

頭碰CAE分析軟件為LS-DYNA，材料卡片采用彈塑性材料Mat24，它除了可以定義彈性模量、密度和泊松比，還可以定義不同應變率下的應力應變曲線和材料失效，以滿足頭碰這種高速非線性分析的要求。

2.3工況設置

模態CAE分析采用汽車行業常用的蘭索斯法（Lanczos），分析軟件為Altair公司的OptiStruct，軟件中載荷類型為Eigrl，一般需要求解前幾階模態。

頭碰CAE分析中，按照GBll552的規定，根據后排H點在副儀表板上劃出頭碰區域，然后在該區域中選出幾個頭碰點，再使用半徑82.5mm的剛性球頭以24.1Km/h初速度對頭碰點進行撞擊，計算球頭的反加速度。設置副儀表板自身的接觸為自動單面接觸;設置球頭和副儀表板之間的接觸為自動面面接觸。

3分析結果評價

3.1初始CAE結果

經過CAE分析，一階模態34.8Hz，大于34Hz，滿足要求，振動方向為Y向;3個頭碰點3ms clip>72g，不滿足要求。

模態振型圖和頭碰一階模態34.8Hz，大于34Hz加速度曲線見下圖3：

3.2初始CAE結果解析和優化嘗試

分析模態振型和應變能圖后，發現一階模態是Y向振動，并且副儀表板連接地板的鈑金支架上應變能集中。結合分析結果和以往項目經驗，可以發現該鈑金支架的Y向剛度對一階模態有重大影響。

分析頭碰動畫和加速度曲線后發現，在頭碰加速度曲線處于峰值的時刻，副儀表板連接鈑金的支架有明顯的應力集中，并且該鈑金支架的在z向沒有繼續潰縮。結合分析結果和以往項目經驗，可以發現該鈑金支架的z向剛度直接影響頭碰。

經過以上解析，我們發現該鈑金支架同時影響模態和頭碰。考慮到目前3個頭碰點3ms加速度都大于72g，我們首先嘗試打斷支架的紅框處以同時降低z向剛度，頭碰3ms加速度都降至72g以下，但是一階模態降至30Hz在，不滿足要求了。

這表明該方案同時降低了Y向和z向剛度，而我們需要模態保持在34Hz在以上的同時頭碰3ms加速度降低至72g以下。這就需要一種保持Y向剛度的同時，z向剛度能有效降低的新型鈑金支架結構。

3.3優化方案1

基于之前的解析和優化嘗試，我們對飯金支架進行了下圖右側的優化。地板支架下計成

框架結構，保證了Y向剛度;而支架上端是個開放結構，容易在z向潰縮優化。

經過分析，優化方案1的一階模態僅降低0 4Hz，頭碰3ms clip最多降低7.7g，表明了該方案的優化方向是正確的，模態頻率降低很少，而頭碰加速度可以大幅降低。后續需要對該方案的局部進行細化，以便進一步降低頭碰反加速度。

3.4優化方案2

鑒于目前頭碰反加速度雖然有明顯降低，依舊超過72g，我們在鈑金支架的z向剛度繼續進行弱化。由于減少料厚或者進行大的結構更改很容易導致模態降低過快而低于34Hz，我們只考慮對鈑金支架的局部進行去掉翻邊，挖小型潰縮缺口等方式進行弱化。

經過大量嘗試，考慮了工藝性的要求，在優化方案1的基礎上對紅色和藍色支架做了去翻邊和挖缺口的措施。采用了這些局部修改措施后，能夠使支架在z向更好潰縮，同時盡量減小對Y向剛度影響。

經過優化，模態和頭碰性能同時滿足了要求。

3.5優化過程小結

經過兩輪優化，設計出一種新的鈑金支架結構形式，既能保證Y向有足夠的剛度，同時容易在z向潰縮。最終模態僅僅降低了0.8Hz在，而頭碰3ms加速度最多降低了11.8g。按照以往項目經驗，修改這種鈑金支架，模態至少降低5Hz在，頭碰才能降低10g。

以上結果表明這種鈑金的結構形式非常成功，便于優化頭碰的同時可以很好地保證模態頻率。我們這種先確定不同性能的優化方向，再進行局部優化的多學科優化方法，在實踐中得到檢驗，可以很好地在將來推廣。

3.6實物試驗和CAE結果對比

該項目采用了我們的最終優化方案，并對產品完成了試制。我們按照CAE分析中的約束條件和加載方式，委托檢測機構對副儀表進行了模態和頭碰試驗，測試它的模態以及頭碰反加速度。

經過測試發現，最終一階模態實測值.34 3Hz，3個頭碰點3ms加速度實測值都小于72g，振動和碰撞安全性能都滿足了客戶標準，達到了預期效果。通過對LLcAE和試驗結果，兩者數值比較接近，證明了該CAE模型精度可以接受。

在后續工作中，我們將繼續提高CAE模型精度，對某些做了簡化處理的結構，比如導軌滑動機構、鉸鏈旋轉機構、表皮、發泡結構進行細化，使得CAE分析可以更好的指導設計工作。

4結論

副儀表在設計中往往需要兼顧多個性能，其中振動和碰撞安全性能的優化區域重合。在以往項目中，經常需要對該區域反復優化，達成一個性能目標時，另一個性能目標往往不能滿足要求，想得到完美的優化方案非常困難。

該項目首先嘗試了比較極端的優化方案，發現效果不好后，及時地摒棄了錯誤的優化思路，再通過優化方案1確定優化方向，優化方案2對它進行細化，得到最終優化結構。這種先確定不同性能的優化方向，再進行局部優化的多學科優化方法，在實踐中得到檢驗，可以作為一種成功的優化方法在將來推廣，可以更快速地得到最佳優化方案。

該項目的成功實施為副儀表板的模態和頭碰性能的多學科優化提供了參考，避免了以往項目中只注重改善某個性能而導致其他性能發生風險的情況，這種優化思路可以推廣到其他產品的設計開發中。這種副儀表板后支架可以固化下來，作為通用形式應用于后續的副儀表板項目中，以后的項目只需對該支架進行微調固定點的位置、縮放尺寸，即可同時滿足頭碰和模態的要求。

隨著汽車產品開發周期的縮短和性能要求越來越多，多學科優化將會成為將來設計工作中縮短優化迭代次數，加快開發進度的重要手段。如何同時對更多的性能進行協同優化將是未來CAE工作面臨的挑戰。