汽車儀表板骨架設(shè)計中的優(yōu)化分析

2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

關(guān)鍵字:儀表板骨架剛度優(yōu)化 CAE

儀表板骨架是儀表板總成及附件的關(guān)鍵承力件,其一般結(jié)構(gòu)形式為一根從左到右的橫梁及焊裝支架以承受各種電子、空調(diào)、轉(zhuǎn)向模塊。對儀表板骨架的一個重要設(shè)計要求是保證一定的結(jié)構(gòu)剛度,其定義為骨架安裝在車身上,轉(zhuǎn)向管柱通過支架連到骨架上(轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當作剛性處理),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,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,在設(shè)計早期必須得到嚴格保證。

圖1 儀表板骨架剛度分析模型

2 影響剛度的因素分析

汽車儀表板骨架剛度由儀表板骨架本身的剛度和儀表板骨架在車身上的安裝剛度共同決定。對于儀表板骨架本身的剛度,鑒于轉(zhuǎn)向管柱的安裝方式,轉(zhuǎn)向管柱的安裝支架的設(shè)計好壞直接影響到儀表板骨架本身的剛度,所以轉(zhuǎn)向管柱的安裝支架的設(shè)計很重要。此外,儀表板骨架中的橫梁與A柱連接處的接頭剛度,橫梁與前地板的連接形式,橫梁與防火墻的搭接設(shè)計均會對儀表板骨架本身的剛度有影響。

汽車儀表板骨架在車身上的安裝點比較多,一般有十多個,每個安裝點的一般只關(guān)注三個平動方向的剛度就可以了。每個安裝點的剛度對系統(tǒng)剛度的貢獻量不一樣,同一個安裝點的不同方向的剛度對系統(tǒng)剛度的貢獻量也不一樣。對貢獻量大的安裝點的剛度、對貢獻量大的方向,需要在設(shè)計之初有一個充分的認識,進而便于下一步采取有效的結(jié)構(gòu)形式來盡量滿足儀表板骨架在車身上的安裝剛度要求。

為了降低油耗和減少制造成本,減重是當務(wù)之急。當整個系統(tǒng)的構(gòu)架已經(jīng)完成,每個零件的形狀以及與周邊零件的連接都已經(jīng)確定,這時可通過對儀表板骨架這一子系統(tǒng)各個零件的厚度進行優(yōu)化設(shè)計,在不降低性能的基礎(chǔ)上,進一步減重。

圖2 儀表板骨架結(jié)構(gòu)

3 優(yōu)化分析

下面就從影響汽車儀表板骨架剛度的幾個主要方面來對汽車儀表板骨架進行優(yōu)化分析設(shè)計。

3.1 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的優(yōu)化

轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的優(yōu)化模型沒有考慮車身,與車身連接的地方約束住。

(1) 在原始設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行拓撲優(yōu)化,整個上下支架均為優(yōu)化區(qū)域。

目標是:上下支架質(zhì)量最小;

約束是:反映剛度的位移小于原始結(jié)構(gòu)位移的 1.05倍,以確保一定的優(yōu)化余量;

優(yōu)化參數(shù)是:上下支架的殼單元的密度。

結(jié)果見圖3

圖3 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的拓撲優(yōu)化結(jié)果

拓撲優(yōu)化結(jié)果中,淺蘭色的區(qū)域為趨向保留的材料,ISO surface 取 0.3。

(2) 在原始設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對支架進行形狀優(yōu)化。

目標是:反映剛度的位移最小;
沒有約束;
優(yōu)化的參數(shù)是:上支架某形狀的線性變化因子。

結(jié)果見圖4

圖4 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的形狀優(yōu)化結(jié)果

圖5 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架新設(shè)計

形狀優(yōu)化剛度能提高 7.8%。
通過上面轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化的結(jié)果,可以看到:
支架兩邊的材料比較重要,而中間的可以挖減重孔,甚至可以把中間的材料全部去掉;
支架前后過渡越緩,對性能越有利。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,將轉(zhuǎn)向管柱安裝支架設(shè)計成分體式,見圖5,新的設(shè)計剛度提高了5%,質(zhì)量減少了 0.95Kg。

3.2 儀表板骨架在車身上的安裝剛度的優(yōu)化

首先算出現(xiàn)有結(jié)構(gòu)儀表板骨架在車身上的安裝剛度值。然后每一個安裝點用一個 cbush來模擬,cbush的 x,y,z向的初始剛度分別設(shè)置為已經(jīng)算出的剛度值,不考慮cbush的轉(zhuǎn)動剛度。最后對每一個安裝點的cbush的三個方向的剛度值進行優(yōu)化。

用不考慮轉(zhuǎn)動剛度的cbush來代替車身結(jié)構(gòu)算儀表板骨架剛度,兩者的剛度值差別僅有0.7%,這說明用 cbush來模擬是正確的。

本文采用尺寸優(yōu)化方法優(yōu)化安裝剛度。首先用 DESVAR卡片來定義優(yōu)化變量,每個安裝點,每個方向的初始剛度定義為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)計算出的安裝剛度,下限定義為 0.5KN/mm,上限定義為 20.0KN/mm。然后用 DVPREL1來定義與優(yōu)化變量相關(guān)的屬性,屬性是用一個優(yōu)化變量的函數(shù)來定義,定義如下: