項(xiàng)目研發(fā)中基于輕量化的儀表板橫梁參數(shù)優(yōu)化分析

馮曉鋒 王安邦

摘 要：本文中使用ANSA前處理軟件，分析儀表板橫梁在整個(gè)系統(tǒng)中的一階固有頻率，找到支架上的薄弱環(huán)節(jié)后進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和分析。如此反復(fù)疊加優(yōu)化分析，最終在滿足性能要求的前提下實(shí)現(xiàn)了減重優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：儀表板橫梁;參數(shù)優(yōu)化;輕量化;有限元;拓?fù)鋬?yōu)化

1 引言

近年來，國內(nèi)汽車工業(yè)迎來了快速發(fā)展期，國內(nèi)汽車保有量穩(wěn)步增長。然而，由此帶來的能源消耗及環(huán)境保護(hù)等問題則日益緊張，這必將阻礙國內(nèi)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。汽車輕量化技術(shù)作為汽車降低能耗、減少排放的有效措施，已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵性研究課題，而輕量化也成為國內(nèi)外各汽車廠商的核心競爭技術(shù)之一。前期設(shè)計(jì)研發(fā)中參數(shù)化分析的介入，給儀表板橫梁輕量化提供了可能。

汽車儀表板橫梁（CCB）是汽車結(jié)構(gòu)中的一個(gè)十分重要的部分，擔(dān)負(fù)著儀表板總成、空調(diào)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系和安全氣囊等重要子系統(tǒng)，并為很多與控制相關(guān)的電子模塊提供安裝接口。CCB的設(shè)計(jì)質(zhì)量會(huì)直接影響汽車的NVH（Noise噪聲、Vibration振動(dòng)和Harshness聲振粗糙度）性能，如方向盤的怠速抖動(dòng)和汽車在勻速行駛時(shí)儀表板總成里面的振動(dòng)異響等。此外，隨著對(duì)汽車輕量化的要求越來越高，要開發(fā)出既能滿足各方面性能要求，質(zhì)量又較輕的結(jié)構(gòu)，成為設(shè)計(jì)工程師正在面臨的挑戰(zhàn)。

2 CCBCAE性能分析

2.1 CCB分析與設(shè)計(jì)流程

本項(xiàng)目使用ANSA前處理軟件，首先，將儀表板橫梁安裝整車位置進(jìn)行約束，然后，分析儀表板橫梁在整個(gè)系統(tǒng)中的一階固有頻率，找到支架上的薄弱環(huán)節(jié)后進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，再分析。如此反復(fù)疊加優(yōu)化分析，最終在滿足性能要求的前提下減重優(yōu)化，得到最優(yōu)結(jié)果。

2.2 CCB約束及性能定義

此項(xiàng)目CCB采用側(cè)面滑槽定位，前后X向安裝，與前車圍、前地板共有10個(gè)定義約束。每個(gè)安裝點(diǎn)以及同一安裝點(diǎn)不同方向的剛度對(duì)系統(tǒng)剛度的貢獻(xiàn)量都不一樣，對(duì)貢獻(xiàn)量大的需要在設(shè)計(jì)之初有充分的認(rèn)識(shí)，便于針對(duì)性地采取有效結(jié)構(gòu)形式滿足安裝剛度要求。

方向盤的模態(tài)及剛度作為儀表板橫梁主要的性能考核指標(biāo)，貫穿儀表板研發(fā)的整個(gè)階段。該性能指標(biāo)直接反映駕駛員可感知的方向盤抖動(dòng)和碰撞過程中方向盤的侵入變形量。

另外，CCB整體一階模態(tài)直接影響乘員對(duì)儀表板總成的直觀共振感知，也是前期研發(fā)輕量化中保證的性能指標(biāo)。

2.3 CCB有限元模型的建立

CCB有限元模型由轉(zhuǎn)向管柱、儀表板橫梁等組成。其中，管梁材料ST37-2G，其余沖壓件為DC01。為了真實(shí)準(zhǔn)確地模擬整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)特性，本次分析中使用了的材料，將Catia Part模型數(shù)據(jù)先在ANSA軟件中處理成中性面，加入板厚信息，劃分好網(wǎng)格。要對(duì)網(wǎng)格、焊點(diǎn)處、各圓角、支架結(jié)合處做好重點(diǎn)處理，修補(bǔ)漏洞，使得網(wǎng)格盡量合理均勻分布，同時(shí)考慮支架上的焊點(diǎn)。

2.4 CCB性能分析及結(jié)果

將網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)輸出給MSC Nastran進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，計(jì)算得到其前20階的模態(tài)值，在后處理軟件中讀出模態(tài)振型和一階固有頻率。

要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)大于40Hz，其他局部模態(tài)不小于45Hz。轉(zhuǎn)向管柱靜剛度中心點(diǎn)靜剛度位移不大于1mm;排擋靜剛度不大于1.2mm。

3 CCB輕量化分析

通過MSCNastran 前后處理軟件，針對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型性能分析結(jié)果，通過拓?fù)鋬?yōu)化、焊縫優(yōu)化、試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方法實(shí)現(xiàn)CCB的輕量化。

3.1 CCB拓?fù)鋬?yōu)化分析

基于當(dāng)前此項(xiàng)目車型CCB焊接骨架總成設(shè)計(jì)狀態(tài)，建立拓?fù)鋬?yōu)化模型，通過靜剛度、模態(tài)等拓?fù)鋬?yōu)化工況計(jì)算，尋找最佳CCB力學(xué)傳遞路徑，提出參數(shù)設(shè)計(jì)改進(jìn)方向，并建立CCB參數(shù)優(yōu)化參考有限元模型。

首先，對(duì)基礎(chǔ)模型分析可知，厚度占比中主管梁、左右安裝支架、排擋、中右支撐及轉(zhuǎn)向管柱占重量比重的56%，貢獻(xiàn)率較大。

形狀優(yōu)化主要通過工程師自身的豐富經(jīng)驗(yàn)以及Benchmark修改當(dāng)前的支架、襯板、橫梁等，通過多次計(jì)算確定最終有效的方案，形狀修改的零件有中左之間襯板、調(diào)整加強(qiáng)件方向、增加支撐件、延長加強(qiáng)筋等都可以提升模型的整體性能。

管梁的優(yōu)化，首次應(yīng)用變截面的板厚，通過前處理軟件迭代分析截面有限元的分布，確定變截面的區(qū)域與板厚差。

3.2 CCB焊縫優(yōu)化設(shè)計(jì)

在支架和橫梁厚度變化及形狀改變的情況下，為了保證CCB整體的考核目標(biāo)，可以考慮增加焊接或延長焊接長度，焊接的模擬采用Nastran求解器中的REB2單元，基于當(dāng)前CCB焊接總成設(shè)計(jì)狀態(tài)，在滿足零件設(shè)計(jì)的性能參數(shù)前提下，通過對(duì)焊縫進(jìn)行位置和長度優(yōu)化，降低目前設(shè)計(jì)狀態(tài)零件的生產(chǎn)以及采購成本。

3.3 CCB試驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE

根據(jù)確定的設(shè)計(jì)變量（質(zhì)量、管梁厚度、車身/地板連接支架結(jié)構(gòu)、支撐支架加強(qiáng)件位置及形狀等參數(shù)）、設(shè)計(jì)輸出指標(biāo)要求（質(zhì)量、模態(tài)、靜剛度、強(qiáng)度等），確定若干模型。運(yùn)用Nastran軟件SOL200求解器，設(shè)定管梁、各個(gè)支架的厚度為變量，頻率為約束，質(zhì)量為目標(biāo)，通過多次迭代得到最終優(yōu)化結(jié)果。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目綜合運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、焊縫優(yōu)化以及DOE分析等多種優(yōu)化方法和算法，得出多種優(yōu)化模型，在保證CCB剛度及模態(tài)各種判定標(biāo)準(zhǔn)的情況下，CCB優(yōu)化之后減重1.5kg，減重占比14.3%;降本9元，降本占比5.4%。與Benchmark相比，此項(xiàng)目CCB優(yōu)化后性能提升占比4.2%;減重占比10.6%，支架數(shù)量增加占比48%。完成了輕量化目標(biāo)的同時(shí)，提升了CCB自身性能。

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