一款新乘用車儀表板本體的剛度分析與改進(jìn)

龔運(yùn)息，林志立

（廣西科技大學(xué) 工程研究中心，柳州 545006）

0 引言

汽車儀表板是汽車內(nèi)飾中最重要的組成部分，是各種儀表、信號(hào)及操作開關(guān)的集合處，是汽車的操縱與顯示的集中部位。為了滿足產(chǎn)品的功能要求和審美要求，汽車儀表板常采用大圓弧過渡曲面、大跨度流線設(shè)計(jì)，既表現(xiàn)了流暢統(tǒng)一的美感，又提高了安全性[1,2]，大多數(shù)汽車儀表板本體采用注塑成型。采用注塑成型的汽車儀表板本體需要有足夠的強(qiáng)度和剛度，能承受儀表、管路和雜物的負(fù)荷，能抵抗一定的沖擊[3]。因此在設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)儀表板本體進(jìn)行有限元分析，計(jì)算其剛度和位移。通過應(yīng)用有限元分析軟件HyperWorks 12.0、ABAQUS 13.0對(duì)儀表板本體進(jìn)行有限元分析[4,5]。通過分析發(fā)現(xiàn)，儀表板本體的初步設(shè)計(jì)方案中，存在受力的薄弱環(huán)節(jié)，受力變形超出產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。通過結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，消除了薄弱環(huán)節(jié)，滿足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

1 儀表板有限元模型的建立

1.1 模型的清理與簡化

汽車儀表板的設(shè)計(jì)總成，包括儀表板本體，以及中央蓋板、手套箱、除霜風(fēng)道、空調(diào)風(fēng)道和儀表板焊接管梁等零件。總成中的儀表板本體物理尺寸最大，且結(jié)構(gòu)單薄，承受多種零部件載荷及外力影響。為了簡化計(jì)算，同時(shí)為了計(jì)算精確，重點(diǎn)要核算的是儀表板本體的剛度和強(qiáng)度。為了準(zhǔn)確地分析儀表板本體的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，在建立有限元模型前，先根據(jù)求解問題的要求對(duì)儀表板總成進(jìn)行幾何清理與簡化。采用的清理與簡化措施是：

1）忽略中央蓋板、手套箱、除霜風(fēng)道、空調(diào)風(fēng)道和儀表板焊接管梁等零件；

2）對(duì)導(dǎo)入的CAD模型進(jìn)行拓?fù)湫迯?fù)與改進(jìn)，建立正確的曲面連接關(guān)系；

3）刪去所抽取的中性面中所有倒角、R≦3mm的圓角；

4）為了保證加強(qiáng)筋與主體的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的重合，用加強(qiáng)筋的中性面與主體相互切割，做出切割線。

1.2 有限元模型的建立

儀表板本體的網(wǎng)格模型是將儀表板CAD模型導(dǎo)入HyperMesh軟件后，進(jìn)行幾何清理與網(wǎng)格劃分獲得。該儀表板的本體采用板殼單元來模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，網(wǎng)格單元以四邊形為主的殼單元進(jìn)行離散，為了保證計(jì)算精度，選擇單元的尺寸為5mm。探頭采用直徑為20mm、高25mm帶圓球接觸頭的圓柱，均布載荷為100N/314mm2，并定義為剛體。通過劃分儀表板的有限元網(wǎng)格，設(shè)置儀表板與探頭的接觸，定義儀表板的約束、載荷條件，建立起整個(gè)儀表板本體的有限元模型。

考慮到儀表板的工作要求及環(huán)境條件，儀表板本體選用材料為PP-T20（改性聚丙烯）[6]，查找材料的機(jī)械性能，作為模擬分析的一項(xiàng)重要條件。彈性模量E=1530MPa，泊松比μ=0.3851，密度ρ=1.05×10-9t/mm3，屈服極限σs=20MPa，強(qiáng)度極限σb=35MPa[7]。

2 邊界條件

2.1 約束條件

為了更加真實(shí)地模擬儀表板的實(shí)際安裝情況，模擬的約束條件是：先要考慮儀表板是安裝在整車上的，這就需要約束儀表板周圍一圈所有周點(diǎn)的三個(gè)方向的位移和繞三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)；還要考慮在此次有限元分析中，是忽略除霜風(fēng)道、空調(diào)風(fēng)道和焊接管梁等附件，這就需要在這些附件與儀表板本體安裝位置約束六個(gè)自由度，儀表板的約束位置如圖1的實(shí)線圓圈所示。

圖1 儀表板的約束點(diǎn)

2.2 載荷定義

在本次儀表板有限元分析中，通過球頭圓柱按壓儀表板本體表面，分析其相對(duì)位移與應(yīng)力變化情況，即模擬指壓儀表板工況。具體的加載情況是：根據(jù)儀表板的結(jié)構(gòu)形狀、加強(qiáng)筋的布置以及約束模態(tài)的模態(tài)位移量，選定出14個(gè)位置點(diǎn)，分別對(duì)其加載均布力來模擬指壓分析，記錄位置點(diǎn)的位移及其周圍的應(yīng)力變化，指壓分析的布置點(diǎn)如圖2、圖3所示。

圖2 儀表板的指壓點(diǎn)(1～10點(diǎn))

圖3 儀表板的指壓點(diǎn)(11～14點(diǎn))

2.3 接觸定義

在儀表板有限元分析中，對(duì)探頭與儀表板的接觸位置設(shè)定接觸關(guān)系，以防止節(jié)點(diǎn)穿透，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性[8]。定義探頭的接觸面作為接觸的主面，儀表板的接觸面作為接觸的從面，滑移模式采用默認(rèn)的有限滑移，接觸類型選擇面面接觸。為了使接觸關(guān)系穩(wěn)定的建立起來，需要對(duì)探頭的自由度加以限制，在這里需要約束除接觸點(diǎn)法向外的五個(gè)自由度。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

儀表板剛度設(shè)計(jì)的要求，由于目前國內(nèi)大部分汽車廠商很少對(duì)儀表板結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全正向設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)往往參照公司以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及主觀評(píng)價(jià)情況設(shè)定剛度設(shè)計(jì)要求[9]。該款儀表板本體的加載及位移和應(yīng)力指標(biāo)如表1所示。

在HyperMesh軟件中建立模型后，導(dǎo)出inp文件并提交于ABAQUS求解，得到儀表板指壓點(diǎn)的變形與應(yīng)力結(jié)果，如表1所示。從表1可以看出，儀表板的位置點(diǎn)6、7、8、9超出允許變形量，位移值偏大，特別是指壓位置8超出允許變形量達(dá)3.4mm。從儀表板的結(jié)構(gòu)形式也可以看出，其背面的加強(qiáng)筋較少，各加強(qiáng)筋之間的距離偏大，這幾個(gè)指壓點(diǎn)都靠如圖1所示的虛線圓附近，缺少必要的支撐點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的剛度不足。

從表1可以看出共有七個(gè)位置點(diǎn)3、5、6、7、8、9、10的應(yīng)力值都超出材料PP-T20的屈服極限值20MPa，所以結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，還需要校核應(yīng)力值是否在允許應(yīng)力范圍內(nèi)。

表1 儀表板指壓點(diǎn)產(chǎn)生的位移與應(yīng)力值

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及再校核

在前面有限元分析的基礎(chǔ)上，為了滿足儀表板的剛度要求，需要采取兩種措施，一是增加儀表板本體的基本厚度，二是增加和改善加強(qiáng)筋的數(shù)量和布置。一般來說，結(jié)構(gòu)滿足剛度要求后，就能夠滿足強(qiáng)度要求。

采取的改進(jìn)措施如下：

1）將儀表板基本厚度從2.3mm修改到2.8mm；

2）采取局部加強(qiáng)剛度，在儀表板位置點(diǎn)6、7、8、9的背面增加四根加強(qiáng)筋，如圖4所示。

圖4 新增設(shè)加強(qiáng)筋示意圖

采取以上兩條基本措施后，對(duì)這四個(gè)位置分析再次進(jìn)行計(jì)算，得到改進(jìn)后6、7、8、9的位移值分別是：2.3mm、2.5mm、2.7mm、2.4mm，均在3mm的允許范圍內(nèi)，滿足剛度要求。改進(jìn)后3、5、6、7、8、9、10位置點(diǎn)的應(yīng)力值分別是：16.5Mpa、18.0Mpa、17.8Mpa、18.4Mpa、17.6Mpa、17.5Mpa、17.2Mpa，均小于材料的屈服極限20MPa，滿足強(qiáng)度要求。儀表板本體改進(jìn)前、改進(jìn)后位移和應(yīng)力值如表2所示。位移云圖分別如圖5、圖6所示。

表2 儀表板本體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后位移與應(yīng)力值

圖5 改進(jìn)前儀表板的位移云圖

圖6 改進(jìn)后儀表板的位移云圖

在對(duì)該儀表板的有限元分析過程中，發(fā)現(xiàn)增加它的基本厚度能夠顯著改善剛度不足，而僅僅增加如圖4所示的單方向的加強(qiáng)筋對(duì)改善結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)不大。

基于成本考慮，從大規(guī)模生產(chǎn)的條件來看，如果通過增加儀表板的基本厚度來改善剛度，則會(huì)造成材料成本的增加，這是要引起重視的。另則，如果在儀表板的制造工藝條件允許的前提下，在垂直于當(dāng)前加強(qiáng)筋的方向布置相互垂直的加強(qiáng)筋，也能夠比較明顯的改善儀表板本體的剛度，這種布置加強(qiáng)筋的方式在乘用車儀表板中經(jīng)常采用，不會(huì)造成過多的材料浪費(fèi)，值得推薦。在以往傳統(tǒng)的汽車儀表板設(shè)計(jì)中，儀表板基本厚度大多數(shù)是3mm，在不改變制造工藝的前提下，希望通過有限元分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，使整個(gè)儀表板的結(jié)構(gòu)布置更加合理。

5 結(jié)束語

在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)力學(xué)分析是緊密相關(guān)，相輔相成的。有限元分析為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了有效的計(jì)算與分析方法，為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。通過HyperWorks、ABAQUS軟件對(duì)儀表板進(jìn)行了剛度分析，發(fā)現(xiàn)該儀表板的剛度不足之處，通過改進(jìn)，消除了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷。有限元分析在儀表板本體的設(shè)計(jì)與分析的研究結(jié)果，對(duì)其他車型的儀表板開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

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