CAE優(yōu)化分析在提高儀表板橫梁總成性能中的應(yīng)用

熊軍

摘要：文章通過對儀表板橫梁、轉(zhuǎn)向管柱、車身、方向盤等總成進(jìn)行模態(tài)分析與試驗(yàn)對比，提出提升汽車儀表板橫梁性能的CAE分析與設(shè)計方法。并結(jié)合工程實(shí)例，進(jìn)一步針對橫梁上的各個支架進(jìn)行模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該方法在中華某車型開發(fā)中得到較好的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：儀表板橫梁；CAE；分析與優(yōu)化設(shè)計；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）15-0039-02

1 概述

儀表板總成是汽車內(nèi)飾總成中最重要的總成零部件，其上安裝了很多重要部件，如方向盤、CD機(jī)、空調(diào)面板、空調(diào)出風(fēng)口、副安全氣囊等。儀表板設(shè)計合理、整體美觀、使用性能好壞與否，直接決定了顧客對于整車性能的直觀評價。而儀表板橫梁作為儀表板總成重要的承重件，而且是架構(gòu)件之一，在該平臺的一系列車型是通用的。因此如果儀表板橫梁設(shè)計不合理，強(qiáng)度差，容易造成連接在其上的零件發(fā)生變形、低頻抖動等質(zhì)量問題。在儀表板橫梁總成上承載受力最大的零件是安裝轉(zhuǎn)向管柱的支架，此支架設(shè)計是否合理關(guān)系到整車NVH（Noise，Vibration，Harshness）水平。

2 儀表板橫梁模態(tài)分析

2.1 儀表板橫梁分析與設(shè)計流程

本文使用Hepermesh分析軟件，首先將儀表板橫梁、轉(zhuǎn)向管柱、方向盤、車身等放在一起，然后分析儀表板橫梁在整個系統(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，如果滿足要求設(shè)計通過，否則再改進(jìn)，如此反復(fù)優(yōu)化，最終在滿足頻率要求的情況下適當(dāng)減重，得到滿意的結(jié)果。

2.2 儀表板橫梁安裝概述

儀表板橫梁安裝在車身上，轉(zhuǎn)向管柱通過其安裝支架連接到橫梁上（轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)作剛性處理），方向盤處受垂直力和側(cè)向力時抵抗變形能力，剛度方向如圖1所示。此剛度值作為儀表板總成設(shè)計早期的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響到駕駛員可感知的方向盤抖動和碰撞過程中方向盤的侵入變形量，必須嚴(yán)格保證。

儀表板橫梁與車身的連接很重要，每個安裝點(diǎn)的剛度、同一個安裝點(diǎn)的不同方向的剛度對系統(tǒng)剛度的貢獻(xiàn)量都不一樣，對貢獻(xiàn)量大的需要在設(shè)計之初有充分的認(rèn)識，便于采取有效的結(jié)構(gòu)形式來滿足安裝剛度要求。

儀表板橫梁圓管使用直線度較好的焊接鋼管，厚度約為1.3～1.5mm，其他板材件用普通冷軋鋼板SPCC，包括轉(zhuǎn)向管柱支架、左/右側(cè)支架、中間左/右側(cè)支撐支架、手套箱支架、CD支架、線束支架等。

2.3 有限元模型的建立

有限元模型的整個系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，包括車身、轉(zhuǎn)向管柱、儀表板橫梁、方向盤等，其整體剛度是轉(zhuǎn)向管柱及其安裝支架和儀表板橫梁的集中體現(xiàn)。為了縮減計算量同時能真實(shí)準(zhǔn)確地模擬整個系統(tǒng)的振動特性，本次分析中使用了如圖2所示的模型，將Catia Part模型數(shù)據(jù)先在Hypermesh軟件中處理成中性面，加入板厚信息，劃分好網(wǎng)格。要對網(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。支架上的焊點(diǎn)，可利用后處理軟件進(jìn)行建模和設(shè)定。實(shí)際還要考慮點(diǎn)焊與弧焊的設(shè)定，弧焊要確定焊接長度。

2.4 有限元模型的分析

進(jìn)行有限元分析，約束其轉(zhuǎn)向管柱萬向節(jié)和儀表板橫梁的連接點(diǎn)，約束儀表板橫梁和車身各處的固定點(diǎn)，將網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)輸出給MSC Nastran進(jìn)行模態(tài)計算，計算得到其前二十階的模態(tài)值，在后處理軟件中讀出模態(tài)振型和一階固有頻率。

試驗(yàn)時采取相同的約束方式，并分別在轉(zhuǎn)向盤的豎直方向和橫向施加脈沖激勵，通過響應(yīng)曲線識別出模態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)設(shè)備包括力錘、加速度傳感器、智能信號發(fā)生與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理軟件。

2.5 儀表板橫梁有限元模型模態(tài)分析過程

最先導(dǎo)入的儀表板橫梁數(shù)據(jù)模型，在系統(tǒng)中分析得到的橫梁在車身約束下一階模態(tài)頻率值為26.45Hz，剛度比較弱。再考慮到儀表板、中控臺等內(nèi)飾件安裝到車上后儀表板橫梁頻率的衰減，需要提高剛度。

（1）考慮到運(yùn)動趨勢中在轉(zhuǎn)向管柱支架處存在最大位移，因此首先需要通過改善轉(zhuǎn)向管柱支架的結(jié)構(gòu)來提高整體高度。圖3為修改前后的轉(zhuǎn)向管柱支架。

通過轉(zhuǎn)向管柱支架形狀、結(jié)構(gòu)的改變，儀表板橫梁在系統(tǒng)裝配下的一階固有頻率提高5.6Hz，頻率提高率為21.2%。

（2）進(jìn)一步通過對運(yùn)動變形趨勢的觀察分析，在中部通道處運(yùn)動位移也較大，因此對于左側(cè)下支架也進(jìn)行了更改。圖4為修改前后的左側(cè)下支架及中通道車身鈑金。

通過左側(cè)下支架的形狀、結(jié)構(gòu)及與車身連接方式的改變，儀表板橫梁的一階固有頻率提高2.77Hz，頻率提高率為10.5%。

（3）在轉(zhuǎn)向管柱后支架處觀察發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度太弱，需要增強(qiáng)此件，厚度由2mm增加到3mm，表面做多處凸起和加強(qiáng)筋。通過此修改，儀表板橫梁的一階固有頻率提高約2.32Hz，頻率提高率為8.77%。

（4）除上述有顯著效果的措施外，還有一些的較小的改進(jìn)措施，具體是重新設(shè)計轉(zhuǎn)向管柱支架，一階固有頻率為29.05Hz，提高了23.9%；改變左側(cè)下支架的形狀、結(jié)構(gòu)及與車身連接方式，一階固有頻率為31.82Hz，提高了9.53%；轉(zhuǎn)向管柱支架后連接點(diǎn)與制動踏板支架相連，一階固有頻率為35.65Hz，提高了5.38%。

（5）同時還考慮了一些連接支架、連接點(diǎn)取消可能造成的不良后果，具體是如果把與儀表板前面上車身連接的支架去掉，那么儀表板橫梁的一階固有頻率將直接下降2.59Hz，證明此支架不能取消；考慮到與中控臺的連接需要，一度將序號3左側(cè)下支架與車身的連接點(diǎn)加高，導(dǎo)致儀表板橫梁的一階固有頻率下降3.18Hz，證明此更改不符合NVH要求。

最終將儀表板橫梁的一階固有頻率提高到35Hz以上，滿足了儀表板系統(tǒng)對于NVH的需要，由此可見CAE分析對于設(shè)計的指導(dǎo)作用非常大。

3 結(jié)語

上述工程實(shí)例，通過CAE優(yōu)化分析使得最終儀表板橫梁的一階固有頻率提高到35Hz以上，滿足了儀表板系統(tǒng)對于NVH的需要。由此可見CAE分析對于設(shè)計的指導(dǎo)作用非常大。大大提高了系統(tǒng)NVH性能，既節(jié)省了設(shè)計的時間，又提高了優(yōu)化的效果，同時在優(yōu)化模態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減重，降低成本，也為其他結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計提供了方法上的借鑒。

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