基于ANSYS的汽車儀表板骨架有限元分析

劉國漪，劉志鵬

(1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804) (2.湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

儀表板骨架裝置的主要功能是為儀表板飾件總成及汽車電器儀表模塊、副駕駛側(cè)安全氣囊等零件提供支撐，其承受各支架上零部件的重力和沖擊，對駕駛室內(nèi)乘員的安全有直接影響[1]。汽車儀表板骨架在車身設(shè)計(jì)中有著舉足輕重的作用，其不僅支撐儀表板上各電子器件、安全氣囊等部件，還能增強(qiáng)駕駛室車身強(qiáng)度和剛度。如果儀表板骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不符合規(guī)范，容易造成支架上的零部件產(chǎn)生扭曲變形，降低車輛在發(fā)生碰撞時的安全性能；同時還易引起零部件以及轉(zhuǎn)向管柱在汽車怠速或行駛時產(chǎn)生的低頻抖動，影響乘坐舒適性。在有關(guān)儀表板骨架的研究分析中，孫煜[2]通過注塑可行性分析來預(yù)估產(chǎn)品問題；杜登惠等[3]對局部重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化，但并未對結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行相關(guān)分析。為了有針對性地對儀表板骨架進(jìn)行優(yōu)化，有必要對其進(jìn)行模態(tài)分析和靜剛度分析。

本文以某車型儀表板骨架為例，基于有限元分析軟件ANSYS，對儀表板骨架進(jìn)行模態(tài)分析和靜剛度分析，判斷其是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為之后儀表板骨架的輕量化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供相關(guān)參考。

1 儀表板骨架有限元模型的建立

1.1 儀表板骨架概述

儀表板骨架主要包括4部分：儀表板橫梁、定位支撐支架、吸能支架和安全氣囊支架[4]。本文儀表板骨架為鈑金焊接型管柱式橫梁，構(gòu)成和安裝方式為整體焊接型。該儀表板骨架的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—管梁左端支架總成；2—機(jī)蓋扣手-診斷接口固定支架；3—儀表板本體左下固定點(diǎn)加強(qiáng)件；4—轉(zhuǎn)向管柱安裝支架；5—本體組合儀表下部固定支架；6—儀表板本體左下固定支架二；7—儀表板本體左下固定支架一； 8—中央左支撐支架；9—中部線束卡扣板；10—中部上連接支架；11—中央右支撐支架；12—雜物盒安裝支架；13—儀表板本體右上固定支架一；14—儀表板本體右上固定支架二；15—管梁右端支架總成；16—風(fēng)道右側(cè)固定支架；17—安全氣囊固定支架；18—儀表板本體右上固定支架一；19—儀表板管梁副梁； 20—音響支撐支架； 21—組合儀表處加強(qiáng)支架； 22—駕駛側(cè)前圍連接支架；23—儀表板管梁主梁

1.2 有限元網(wǎng)格劃分

在HyperMesh中建立有限元模型，選擇殼單元對儀表板骨架進(jìn)行模擬。最終建立的儀表板骨架有限元模型中包含45 725個四邊形單元和550個三角形單元，單元總數(shù)為46 275個。待裝配的儀表板骨架有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。設(shè)定儀表板骨架中的材料參數(shù)：楊氏模量為2.1E+5MPa，泊松比為0.3，密度為7.85E-9t/mm3。

圖2 待裝配的儀表板骨架有限元模型

1.3 有限元模型的裝配

儀表板骨架上的二氧化碳保護(hù)焊可通過CERIG單元(剛性單元)進(jìn)行模擬。根據(jù)儀表板橫梁其他支架的設(shè)計(jì)要求，如果固定在儀表板上的部件質(zhì)量超過1.5kg(如安全氣囊)，則必須將其固定在儀表板橫梁支架上[5]。通過質(zhì)量單元MASS21來模擬零部件的質(zhì)量，采用剛性連接的方式來模擬螺栓連接。有限元模型主要部位的裝配情況如圖3所示。

圖3 有限元模型主要部位的裝配情況

根據(jù)儀表板骨架在實(shí)際安裝處中所受的約束，在模型中對相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)施加約束。儀表板骨架的實(shí)際固定位置如圖4所示，其有限元模型的約束設(shè)置如圖5所示。

圖4 儀表板骨架的實(shí)際固定位置

圖5 儀表板骨架有限元模型的約束設(shè)置

2 儀表板骨架模態(tài)分析

如果儀表板骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不符合規(guī)范，易引起零部件以及轉(zhuǎn)向管柱在汽車怠速或行駛過程中產(chǎn)生低頻抖動，從而降低駕駛室的NVH水平，影響乘坐舒適性，也影響電子元器件的性能[6]。通過計(jì)算儀表板骨架的模態(tài)，分析其結(jié)構(gòu)的振動特性,為防共振設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)值的確定

發(fā)動機(jī)怠速激勵通常是引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共振的主要因素之一。為避免發(fā)生共振,在設(shè)計(jì)儀表板骨架時，其低階模態(tài)的固有頻率需避開激勵頻率。發(fā)動機(jī)激勵頻率f計(jì)算公式如下：

(1)

式中：n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；i為發(fā)動機(jī)缸數(shù)。

一般四缸發(fā)動機(jī)怠速時的轉(zhuǎn)速約為700～900r/min，根據(jù)式(1)得發(fā)動機(jī)怠速時激勵頻率為23.3～30.0Hz。根據(jù)企業(yè)儀表板骨架的設(shè)計(jì)規(guī)范，通常要求儀表板骨架整體的一階固有頻率大于35Hz。

2.2 仿真結(jié)果分析

一般在汽車行駛過程中，10階以上的振動是很少見的，而且在工程實(shí)際中高階振型對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的貢獻(xiàn)很少，因此在對儀表板骨架進(jìn)行模態(tài)分析時一般只分析前6階模態(tài)。表1為前6階固有頻率及振型。圖6為儀表板骨架前6階模態(tài)變形圖。

表1 前6階固有頻率及振型

圖6 儀表板骨架前6階模態(tài)

由計(jì)算結(jié)果可知：該儀表板骨架整體的一階固有頻率為112.14Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)目標(biāo)值35Hz，不會在汽車怠速時產(chǎn)生共振，符合設(shè)計(jì)規(guī)范。從圖6中可以看出，副梁管上的安全氣囊支撐支架出現(xiàn)局部模態(tài)(繞副梁管作扭轉(zhuǎn)振動)，頻率為32.52Hz。由于安全氣囊模塊的質(zhì)心遠(yuǎn)離儀表板橫梁副梁管以至于其形成了與懸臂梁類似的結(jié)構(gòu)，因此出現(xiàn)了比較大的振幅。這種情況可以通過給安全氣囊支架增加約束的方法來消除。音響支撐支架、本體左下固定加強(qiáng)件和機(jī)蓋扣手-診斷接口固定支架、中央右支撐支架分別在87.48Hz、127.17Hz、160.28Hz有著局部模態(tài)，在這些激勵頻率下對應(yīng)局部模態(tài)的部件將產(chǎn)生共振現(xiàn)象。由于在汽車正常行駛或高速行駛時發(fā)動機(jī)的激勵頻率可達(dá)到100～200Hz，因此最好對上述3個支架增加相應(yīng)的固定約束。

3 儀表板骨架靜剛度分析

根據(jù)儀表板橫梁設(shè)計(jì)規(guī)范[7]，在對儀表板橫梁進(jìn)行靜剛度有限元分析時，模型的載荷條件為在方向盤輪盤中心分別施加1 000N的垂向力和側(cè)向力，載荷施加點(diǎn)的位移量要小于3mm；分別對儀表板橫梁上各支架安裝點(diǎn)的平面沿法向施加100N的載荷，則載荷施加點(diǎn)的位移小于1mm。方向盤輪盤中心垂向靜力載荷、側(cè)向靜力載荷如圖7和圖8所示。各個加載點(diǎn)位移數(shù)據(jù)見表2。

圖7 方向盤輪盤中心垂向靜力載荷

圖8 方向盤輪盤中心側(cè)向靜力載荷

由計(jì)算結(jié)果可知，方向盤輪盤中心施力點(diǎn)的位移為2.865mm，小于儀表板橫梁設(shè)計(jì)規(guī)范中的3mm，滿足設(shè)計(jì)要求。風(fēng)道固定支架、中部線束卡扣板支架、組合儀表處加強(qiáng)支架、本體組合儀表下部固定支架、車身前圍和底邊固定支架、部分儀表板側(cè)圍固定支架以及部分儀表板本體固定支架安裝點(diǎn)的位移值都小于1mm，符合設(shè)計(jì)規(guī)范。而安全氣囊固定支架、音響支撐支架、儀表板本體固定支架3和4、車身側(cè)圍連接支架4和8其安裝點(diǎn)加載位移都大于1mm，超出設(shè)計(jì)要求?？筛鶕?jù)實(shí)際情況對這些支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，如通過增大支架的截面、增加材料的厚度、在支架上壓加強(qiáng)筋等方式加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

表2 各個加載點(diǎn)位移數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文運(yùn)用有限元軟件HyperMesh建立了儀表板骨架的有限元靜態(tài)分析模型，并基于ANSYS軟件對儀表板骨架進(jìn)行了模態(tài)分析和靜剛度分析，得到了以下結(jié)論：

1)儀表板骨架的一階整體固有頻率為112.140Hz，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值35Hz，整體模態(tài)性能良好。

2)副駕駛安全氣囊支架在較低頻率下產(chǎn)生了共振，振動出現(xiàn)了局部偏大值，存在約束不足或者剛度不足的問題，需要做進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3)儀表板橫梁、風(fēng)道固定支架、中部線束卡扣板支架、組合儀表處加強(qiáng)支架、本體組合儀表下部固定支架、車身前圍和底邊固定支架、部分儀表板側(cè)圍固定支架以及部分儀表板本體固定支架符合剛度要求。

4)安全氣囊固定支架、音響支撐支架、部分儀表板本體固定支架、部分車身側(cè)圍連接支架不符合設(shè)計(jì)要求，建議加強(qiáng)這些部件的剛度。