CAE優化分析在提高儀表板橫梁總成性能中的應用

熊軍

摘要：文章通過對儀表板橫梁、轉向管柱、車身、方向盤等總成進行模態分析與試驗對比，提出提升汽車儀表板橫梁性能的CAE分析與設計方法。并結合工程實例，進一步針對橫梁上的各個支架進行模態分析與結構優化，該方法在中華某車型開發中得到較好的應用。

關鍵詞：儀表板橫梁；CAE；分析與優化設計；結構優化

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：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、空調面板、空調出風口、副安全氣囊等。儀表板設計合理、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計不合理，強度差，容易造成連接在其上的零件發生變形、低頻抖動等質量問題。在儀表板橫梁總成上承載受力最大的零件是安裝轉向管柱的支架，此支架設計是否合理關系到整車NVH（Noise，Vibration，Harshness）水平。

2 儀表板橫梁模態分析

2.1 儀表板橫梁分析與設計流程

本文使用Hepermesh分析軟件，首先將儀表板橫梁、轉向管柱、方向盤、車身等放在一起，然后分析儀表板橫梁在整個系統中的一階固有頻率，找到支架上的薄弱環節后進行結構改進，再分析，如果滿足要求設計通過，否則再改進，如此反復優化，最終在滿足頻率要求的情況下適當減重，得到滿意的結果。

2.2 儀表板橫梁安裝概述

儀表板橫梁安裝在車身上，轉向管柱通過其安裝支架連接到橫梁上（轉向系統當作剛性處理），方向盤處受垂直力和側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計早期的關鍵指標，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，必須嚴格保證。

儀表板橫梁與車身的連接很重要，每個安裝點的剛度、同一個安裝點的不同方向的剛度對系統剛度的貢獻量都不一樣，對貢獻量大的需要在設計之初有充分的認識，便于采取有效的結構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，包括轉向管柱支架、左/右側支架、中間左/右側支撐支架、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由多個子系統組成，包括車身、轉向管柱、儀表板橫梁、方向盤等，其整體剛度是轉向管柱及其安裝支架和儀表板橫梁的集中體現。為了縮減計算量同時能真實準確地模擬整個系統的振動特性，本次分析中使用了如圖2所示的模型，將Catia Part模型數據先在Hypermesh軟件中處理成中性面，加入板厚信息，劃分好網格。要對網格、焊點處、各圓角、支架結合處做好重點處理，修補漏洞，使得網格盡量合理均勻分布。支架上的焊點，可利用后處理軟件進行建模和設定。實際還要考慮點焊與弧焊的設定，弧焊要確定焊接長度。

2.4 有限元模型的分析

進行有限元分析，約束其轉向管柱萬向節和儀表板橫梁的連接點，約束儀表板橫梁和車身各處的固定點，將網格化的數據輸出給MSC Nastran進行模態計算，計算得到其前二十階的模態值，在后處理軟件中讀出模態振型和一階固有頻率。

試驗時采取相同的約束方式，并分別在轉向盤的豎直方向和橫向施加脈沖激勵，通過響應曲線識別出模態參數。試驗設備包括力錘、加速度傳感器、智能信號發生與數據采集系統、數據分析處理軟件。

2.5 儀表板橫梁有限元模型模態分析過程

最先導入的儀表板橫梁數據模型，在系統中分析得到的橫梁在車身約束下一階模態頻率值為26.45Hz，剛度比較弱。再考慮到儀表板、中控臺等內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）考慮到運動趨勢中在轉向管柱支架處存在最大位移，因此首先需要通過改善轉向管柱支架的結構來提高整體高度。圖3為修改前后的轉向管柱支架。

通過轉向管柱支架形狀、結構的改變，儀表板橫梁在系統裝配下的一階固有頻率提高5.6Hz，頻率提高率為21.2%。

（2）進一步通過對運動變形趨勢的觀察分析，在中部通道處運動位移也較大，因此對于左側下支架也進行了更改。圖4為修改前后的左側下支架及中通道車身鈑金。

通過左側下支架的形狀、結構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）在轉向管柱后支架處觀察發現強度太弱，需要增強此件，厚度由2mm增加到3mm，表面做多處凸起和加強筋。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措施，具體是重新設計轉向管柱支架，一階固有頻率為29.05Hz，提高了23.9%；改變左側下支架的形狀、結構及與車身連接方式，一階固有頻率為31.82Hz，提高了9.53%；轉向管柱支架后連接點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左側下支架與車身的連接點加高，導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，滿足了儀表板系統對于NVH的需要，由此可見CAE分析對于設計的指導作用非常大。

3 結語

上述工程實例，通過CAE優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，滿足了儀表板系統對于NVH的需要。由此可見CAE分析對于設計的指導作用非常大。大大提高了系統NVH性能，既節省了設計的時間，又提高了優化的效果，同時在優化模態的基礎上進一步減重，降低成本，也為其他結構件的優化設計提供了方法上的借鑒。

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