輕量化儀表板管梁開(kāi)發(fā)

霍長(zhǎng)宏 李朔 秦昀

摘 要：目前，輕量化已經(jīng)成為未來(lái)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)之一，輕量化可以使汽車(chē)產(chǎn)品的重量降低、性能提升，節(jié)能、安全。儀表板管梁是汽車(chē)內(nèi)飾重量最重要組成部分之一，傳統(tǒng)鋼制一般重9-10kg，隨著鋁合金材料在汽車(chē)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，我們對(duì)其在儀表板管梁上的運(yùn)用作了嘗試，成功的達(dá)成了降重40%以上的目標(biāo)。文章詳細(xì)介紹了鋁合金儀表板管梁的設(shè)計(jì)思路和CAE分析過(guò)程，對(duì)輕量化儀表板管梁設(shè)計(jì)研究有極高的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：儀表板管梁;輕量化;鋁合金;CAE中圖分類(lèi)號(hào)：U462

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2019）04-47-02

引言

目前，輕量化已經(jīng)成為未來(lái)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)之一，輕量化可以使汽車(chē)產(chǎn)品的重量降低、性能提升、節(jié)能、安全。儀表板管梁是汽車(chē)內(nèi)飾重量最重要組成部分之一的，其作為鋼制結(jié)構(gòu)件，基材選用20#無(wú)縫鋼管及SPCC鋼板沖壓支架焊接而成，焊接工藝采用CO2氣體保護(hù)焊，材料及制造工藝較為傳統(tǒng)，導(dǎo)致其密度及重量偏大，有著極其可觀(guān)的降重空間。

本文從實(shí)際車(chē)型設(shè)計(jì)出發(fā)，歸納總結(jié)了以鋁合金儀表板管梁為代表的輕量化儀表板管梁設(shè)計(jì)的基本思路與性能分析要點(diǎn)，從材料選擇、工藝選擇、設(shè)計(jì)要點(diǎn)和CAE性能要求等方面闡述?；谏钊氲睦碚撗芯坎⒔Y(jié)合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)輕量化儀表板管梁設(shè)計(jì)有極高的指導(dǎo)作用。

1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于鋁合金密度僅為2.7kg/cm3只有鋼的1/3，據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在達(dá)到相同產(chǎn)品性能的前提下鋁合金替代鋼制材料甚至可以達(dá)到30%-50%的減重率，所以我們嘗試選取鋁合金作為替代材料進(jìn)行管梁的設(shè)計(jì)，最終效果喜人，輕量化效果顯著。以下詳細(xì)論述鋁合金輕量化管梁的設(shè)計(jì)過(guò)程：

1.1 材料選擇

市場(chǎng)可選鋁合金型材目前有6個(gè)系列。綜合考慮儀表板管梁性能要求，需要較高的強(qiáng)度和延伸率，所以選擇6系的6061、6063作為主要替代材料研究范圍。

1.2 工藝選擇

擠壓成型是對(duì)在擠壓筒內(nèi)的金屬錠胚施加外力，使之從設(shè)定的?？字辛鞒觯瑥亩@得所需形狀和尺寸產(chǎn)品的一種方法。經(jīng)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠(chǎng)鋁合金管梁均使用該方法進(jìn)行產(chǎn)品制造。在連接工藝方面，結(jié)合鋁合金材料性能特點(diǎn)，鋁合金各支架之間通過(guò)惰性氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接固定，各標(biāo)準(zhǔn)件采用拉鉚或者壓鉚固定。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

輕量化管梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足以下性能要求：

1）管梁在正碰時(shí)能有效的防止變形而傷害到乘客，重點(diǎn)考慮管梁本體剛度以及前圍連接支架剛度。

2）在側(cè)碰時(shí)能有效的防止變形而傷害到乘客，重點(diǎn)設(shè)計(jì)管梁本體剛度以及左右連接支架剛度。

3）支持轉(zhuǎn)向管柱功能，重點(diǎn)設(shè)計(jì)管梁上管柱安裝支架的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，滿(mǎn)足管柱模態(tài)要求。

4）支持儀表板的固定，有效的提高儀表板的強(qiáng)度，滿(mǎn)足儀表板管梁模態(tài)要求。

1.4 CAE分析

在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的前提下，我們需要對(duì)設(shè)計(jì)的合理性和能否達(dá)成性能要求進(jìn)行CAE驗(yàn)證，具體驗(yàn)證項(xiàng)目和方法要求如下：

1.4.1 ODB分析

要求：前圍支架承受壓潰力大于8KN。

方法：1）約束兩邊的車(chē)身安裝點(diǎn)以及地板的安裝點(diǎn)共十二個(gè);2）給前圍支架上的板施加一個(gè)強(qiáng)制位移，直到樣件壓潰，提取樣件從開(kāi)始到壓潰的力—位移曲線(xiàn)。

1.4.2 側(cè)向力分析

方法：1）約束右邊的車(chē)身安裝點(diǎn)以及地板的安裝點(diǎn)共十個(gè);2）在左側(cè)的車(chē)身安裝點(diǎn)的Y向加強(qiáng)制位移載荷。

要求：側(cè)圍連接支架承受壓潰力大于15KN。

1.4.3 管柱支架強(qiáng)度分析

方法：1）約束兩邊的車(chē)身安裝點(diǎn)以及地板的安裝點(diǎn)共14個(gè);2）在轉(zhuǎn)向管柱軸向和垂向加載10KN和5KN的力。

要求：管柱支架不斷裂。

1.4.4 管梁模態(tài)分析

方法：約束兩邊的車(chē)身安裝點(diǎn)以及地板的安裝點(diǎn)共14個(gè)點(diǎn)的123456自由度，給予管梁一定激勵(lì)。

2 總結(jié)

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能、減排的要求日趨加嚴(yán)，汽車(chē)降重降耗工作已經(jīng)被逐漸重視起來(lái)。儀表板管梁作為汽車(chē)內(nèi)飾系統(tǒng)中重要的重量組成部分，其減重工作的重要性不言而喻，本文中提出的用鋁合金代替鋼制的管梁輕量化設(shè)計(jì)思路是一種新的嘗試和總結(jié)，隨著汽車(chē)制造工藝和開(kāi)發(fā)手段的不斷提高，這些數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)思路還會(huì)有不斷的創(chuàng)新和修正，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，要結(jié)合實(shí)際開(kāi)發(fā)水平，進(jìn)行正確的判斷、參考，但設(shè)計(jì)原理是相通的，希望本文能給管梁輕量化提供一點(diǎn)啟發(fā)和幫助。

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