某越野車儀表板的CAE多學科優化設計

摘要：越野車儀表板設計中，需要滿足模態、頭碰減速度、重量限制三個要求。優化過程中加強CCB的主橫梁和支架可以提高整體模態，而往往加強了主橫梁和支架后會導致頭碰減速度過高，整體重量也會超過設計限制值。利用使用多學科優化，可以更合理地設置零件厚度，優化零件形狀，從而實現多種性能協同優化，達到設計目標的要求。

關鍵詞：模態；頭碰；輕量化；多學科優化

中圖分類號：U469.3 收稿日期：2023-06-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.019

1 前言

越野車作為一種特殊的車輛類型，需要滿足高通過性、高承載能力、高安全性等多種要求。儀表板作為駕駛員與車輛之間的交互界面，其設計和優化也顯得尤為重要。越野車需要適應惡劣道路環境及野外行駛，在行駛、緊急制動的過程中，頭部與儀表板可能會發生碰撞，如果碰撞時頭部受力過大，則很容易對乘員造成巨大損害，因此必須要提高儀表板的安全性。儀表板產品需要滿足GB 11552《乘用車內部凸出物》中的頭碰試驗的規定：在儀表板頭碰區域內，錘頭以24.1 km/h的速度撞擊頭碰點，對于覆蓋安全氣囊的蓋板，則以19.3 km/h的速度進行撞擊。要求錘頭的減速度超過80 g的持續時間不應該超過3 ms，即頭碰點3 ms clip≤80 g。滿足頭碰實驗要求的儀表板能為乘員提供較好的安全保護。圖1所示為頭碰測試現場。

模態是機械結構的固有振動特性，通過模態分析能得出某頻段內產品在外部振源或內部振源作用下產生的實際振動響應。圖2所示為模態測試現場。對于產品來說，整體模態的頻率越高則剛性越強。儀表板是眾多零部件的載體，模態頻率太低，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。越野車在通過砂石、砂礫路段時車身也會強烈振動，儀表板橫梁對于保證方向盤駕駛穩定性有重要作用。為保證儀表板的整體剛性，要求一階整體模態頻率大于43 Hz。

整車制造企業會對各個子系統提出重量要求，以達到減少制造成本、改善車輛的動力性能、降低燃油消耗、減輕環境污染等目的。在保持車身的強度和安全性的前提下，儀表板要輕量化，盡可能降低重量。

本文中的越野車儀表板經過初始模態優化，加強了CCB（儀表板橫梁）的主橫梁和部分支架，儀表板的一階整體模態優化到43.75 Hz（圖3），大于43 Hz，滿足要求。但頭碰分析中，出風口處頭碰點3 ms clip值為109.1 g，不滿足要求，并且儀表板整體質量超出客戶的要求值0.3 kg。為降低頭碰減速度值（圖4），筆者多次嘗試弱化CCB、儀表板塑料本體等結構，但頭碰加速度下降的同時一階整體模態也降到43 Hz以下，并且整體質量下降的值并不能達到客戶的需求。

為達成頭碰減速度小于80 g、一階模態值大于43 Hz、減重大于0.3 kg三個目標，采用多學科優化策略，利用計算機輔助計算探索三個目標相互作用的協同機制，優化產品設計。

2 分析過程

2.1 建立模型

儀表板模態分析采用線性分析，使用Abaqus軟件建立模態分析模型。模型中的非線性特性，例如材料塑性、接觸等，定義了也將被忽略。部分電器零件沒有必要或無法建立網格模型，因此建立的有限元模型質量和實物零件質量存在差異。為了補足這些質量差異，需要在簡化的零件上分配一定的質量，保證模態分析的準確性。儀表板的每一階模態都有特定的固有頻率和模態振型，模態分析結果又分為儀表板局部模態和整體模態。本文考察的是第一階整體模態是否超過43 Hz。

儀表板頭碰采用非線性顯示動力分析，使用Dyna建立碰撞分析模型。模型包括材料非線性、幾何非線性、接觸非線性。材料卡片采用彈塑性材料Mat24，它可以定義不同應變率下的應力應變曲線和材料失效，可以模擬錘頭撞擊儀表板后儀表板塑料件、鈑金件的潰縮和變形，能有效地分析出撞擊過程中錘頭受到的反力和減速度。圖5為頭碰CAE結果的動畫截圖。

儀表板塑料件本體已經完成過一輪優化，考慮到設計周期，本次主要優化CCB。CCB多為金屬結構，材料密度大，優化CCB能顯著降低整個儀表板的總重量。

2.2 初始CAE結果解析

分析模態振型和應變能圖后，發現儀表板一階整體模態是繞CCB的轉動，結合分析結果和以往項目經驗，可以發現CCB主橫梁（圖6中T5）和4個支架（圖6中T1～T4）對一階整體模態有重大影響，并且主橫梁作為CCB的最大零件對CCB的整體重量影響較大。

觀察頭碰結果動畫，錘頭撞擊點后的T3、T4支架存在明顯的應力集中，并且在碰撞過程中潰縮程度較小，結合分析結果和以往項目經驗，發現這兩個支架的強度度直接影響頭碰減速度值。

經過以上分析，判定主橫梁和4個支架對頭碰結果、質量結果、模態結果的影響很大。以這5個零件的厚度為變量，改變這5個零件的厚度值，再計算模型改變后的頭碰結果、質量結果、模態結果，并對比5個厚度變化與3個結果變化的數學關系，找出產品優化方向。

3 優化過程

優化平臺采用Hyperstudy軟件，Hyperstudy是Altair公司的一款多學科設計探索、研究以及優化軟件。在本儀表板CAE分析項目中，模態分析采用的是Abaqus軟件，碰撞分析采用的是Dyna軟件。三款軟件都是行業內非常優秀的分析軟件，但是分屬于不同的公司，數據格式不盡相同，因此開始優化工作前需要完成模態模型（Abaqus格式）和頭碰模型（Dyna格式）在Hyperstudy分析平臺上的適配工作，包括注冊求解器和編程提取分析結果信息等工作。

3.1 DOE采樣

將主橫梁厚度變化范圍上下限值設置為2.0 mm和4.0 mm，4個支架厚度變化范圍上下限值設置為0.1 mm和3.0 mm，設置最小值為0.1 mm是模擬大幅度弱化支架的情況，5個厚度變化范圍構成了一個樣本空間。如用全因子試驗法，需要的試驗次數太多，因此需要采用DOE（試驗設計方法）采樣。采用Hammersley（哈默斯利）法挑選24組數據值進行計算，并得出頭碰結果、質量結果、模態結果，如圖7所示。

3.2 響應面創建（FIT）

以DOE得到的24組數據值為基礎，選擇滑動最小二乘法（MLSM）進行響應面擬合，可以得到5個厚度變量和3個結果響應的擬合響應面。在厚度變化范圍內任意設置5個零件的厚度，就可以通過響應面估算頭碰、模態、重量的結果值，而不需要重新更改模型計算。

如圖8所示，分析響應面結果可知：

a.T3和T4支架對頭碰影響最大。即便把T3和T4支架的厚度設置到一個非常低的值，頭碰結果為94 g，仍然大于80 g，頭碰結果不合格。

b.主橫梁厚度最低設置到3.0 mm可以保證模態大于43 Hz。

c.只改變T3和T4支架的厚度不能將頭碰結果優化合格，需要對T3和T4支架進行拓撲優化設計。

3.3 拓撲優化

拓撲優化（topology optimization）是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，是結構優化的一種。本文使用Optistruct軟件進行拓撲優化。

儀表板總成模型較大，若將完整的總成模型進行迭代拓撲優化，耗費計算資源過多。同時，頭碰分析是一個高度非線性問題，需要將其轉變為線性問題，才能進行拓撲優化求解。本輪拓撲優化總體思路是：優化T3和T4支架，讓其模態值不小于優化前的模態值；在頭碰的錘頭沖擊方向上剛度小于優化前支架；優化后的支架質量越小越好。

具體實施步驟為：

a.在未優化前的T3、T4支架安裝孔上加一個質量點M，模擬儀表板整體模型中支架的負載，計算其模態值A。

b.在未優化前頭碰工況中，記錄T3、T4支架和儀表板平均接觸力F。

c.在未優化前的T3、T4支架安裝孔上施加值為F的力，并記錄安裝面位移D。

d.選擇T3、T4兩個支架，根據零件能占據的空間大小，定義設計空間。

e.在Optistruct軟件中設置一個優化分析，其中，定義模態工況：設計空間安裝孔上加一個質量M，設置優化約束模態下限A；定義施力工況：設計空間安裝孔上加力F，設置優化約束施力點位移下限D*1.2，即在施力方向的剛度不得大于原支架的0.8；定義優化目標：體積最小。

f.拓撲得到大概的優化形狀，并根據優化形狀重新設計支架。

3.4 驗證設計

將優化后的橫梁替換原橫梁后重新計算頭碰和模態，得到頭碰減速度為78.7 g（圖11），一階整體模態43.1 Hz（圖12），橫梁重量降低0.4 kg（圖13），三個結果都滿足設計要求。

4 實物試驗

該儀表板采用了上文的優化方案，并完成了產品試制。本次整車項目采用動態豁免的方法滿足儀表板頭碰要求，因此沒有進行常規靜態頭碰實驗。模態測試中總體模態在43.1 Hz附近，CAE分析精度可以接受。

5 結語

通過本文的優化方案，成功地提高了越野車儀表板的模態、降低了頭碰減速度和CCB重量，并得到了一些有益的結論和有效的方法。這些結論和方法不僅對越野車儀表板的設計和優化有積極的影響，同時也為其他汽車零部件的設計和優化提供了參考。

首先，在儀表板設計中，合理的主橫梁厚度是非常重要的，它對儀表板的一階整體模態值和整個CCB總重量影響非常大。如何有效快速地找出主橫梁的合理厚度值是我們研究的重點。

其次，在頭碰試驗中，沖擊頭沖擊方向上的橫梁支架對頭碰結果影響很大，在保證模態值的前提下，盡可能弱化，以便減小頭碰減速度值。如果減小料厚的方法不能達到要求目標，可以考慮采用拓撲優化的方法，通過優化支架形式，以達到頭碰減速度目標值。

最后，找到了一種以Hyperstudy優化平臺為基礎的優化方法，利用優化平臺提供的多學科優化方法，該方法可以更快更好地找到設計參數，縮短設計周期，提高工作效率?？梢园堰@種方法推廣到更多的產品目標優化上，比如儀表板表面剛度、膝碰性能和儀表板局部模態的多學科優化，以及儀表板本體輕量化、儀表板表面剛度和電器件安裝剛度的多學科優化等。

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作者簡介：

王凡，男，1985年生，工程師，研究方向為汽車內飾CAE仿真。