一款新乘用車儀表板本體的剛度分析與改進

龔運息，林志立

（廣西科技大學 工程研究中心，柳州 545006）

0 引言

汽車儀表板是汽車內飾中最重要的組成部分，是各種儀表、信號及操作開關的集合處，是汽車的操縱與顯示的集中部位。為了滿足產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、大跨度流線設計，既表現了流暢統一的美感，又提高了安全性[1,2]，大多數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度和剛度，能承受儀表、管路和雜物的負荷，能抵抗一定的沖擊[3]。因此在設計階段，需要對儀表板本體進行有限元分析，計算其剛度和位移。通過應用有限元分析軟件HyperWorks 12.0、ABAQUS 13.0對儀表板本體進行有限元分析[4,5]。通過分析發現，儀表板本體的初步設計方案中，存在受力的薄弱環節，受力變形超出產品設計要求。通過結構加強改進設計，消除了薄弱環節，滿足了產品設計要求。

1 儀表板有限元模型的建立

1.1 模型的清理與簡化

汽車儀表板的設計總成，包括儀表板本體，以及中央蓋板、手套箱、除霜風道、空調風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，且結構單薄，承受多種零部件載荷及外力影響。為了簡化計算，同時為了計算精確，重點要核算的是儀表板本體的剛度和強度。為了準確地分析儀表板本體的結構力學特性，在建立有限元模型前，先根據求解問題的要求對儀表板總成進行幾何清理與簡化。采用的清理與簡化措施是：

1）忽略中央蓋板、手套箱、除霜風道、空調風道和儀表板焊接管梁等零件；

2）對導入的CAD模型進行拓撲修復與改進，建立正確的曲面連接關系；

3）刪去所抽取的中性面中所有倒角、R≦3mm的圓角；

4）為了保證加強筋與主體的網格節點的重合，用加強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

儀表板本體的網格模型是將儀表板CAD模型導入HyperMesh軟件后，進行幾何清理與網格劃分獲得。該儀表板的本體采用板殼單元來模擬結構的力學性能，網格單元以四邊形為主的殼單元進行離散，為了保證計算精度，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格，設置儀表板與探頭的接觸，定義儀表板的約束、載荷條件，建立起整個儀表板本體的有限元模型。

考慮到儀表板的工作要求及環境條件，儀表板本體選用材料為PP-T20（改性聚丙烯）[6]，查找材料的機械性能，作為模擬分析的一項重要條件。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，強度極限σb=35MPa[7]。

2 邊界條件

2.1 約束條件

為了更加真實地模擬儀表板的實際安裝情況，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的三個方向的位移和繞三個軸的旋轉；還要考慮在此次有限元分析中，是忽略除霜風道、空調風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自由度，儀表板的約束位置如圖1的實線圓圈所示。

圖1 儀表板的約束點

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，分析其相對位移與應力變化情況，即模擬指壓儀表板工況。具體的加載情況是：根據儀表板的結構形狀、加強筋的布置以及約束模態的模態位移量，選定出14個位置點，分別對其加載均布力來模擬指壓分析，記錄位置點的位移及其周圍的應力變化，指壓分析的布置點如圖2、圖3所示。

圖2 儀表板的指壓點(1～10點)

圖3 儀表板的指壓點(11～14點)

2.3 接觸定義

在儀表板有限元分析中，對探頭與儀表板的接觸位置設定接觸關系，以防止節點穿透，保證計算的準確性與穩定性[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，滑移模式采用默認的有限滑移，接觸類型選擇面面接觸。為了使接觸關系穩定的建立起來，需要對探頭的自由度加以限制，在這里需要約束除接觸點法向外的五個自由度。

3 計算結果與分析

儀表板剛度設計的要求，由于目前國內大部分汽車廠商很少對儀表板結構進行完全正向設計，設計時往往參照公司以往設計經驗及主觀評價情況設定剛度設計要求[9]。該款儀表板本體的加載及位移和應力指標如表1所示。

在HyperMesh軟件中建立模型后，導出inp文件并提交于ABAQUS求解，得到儀表板指壓點的變形與應力結果，如表1所示。從表1可以看出，儀表板的位置點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3.4mm。從儀表板的結構形式也可以看出，其背面的加強筋較少，各加強筋之間的距離偏大，這幾個指壓點都靠如圖1所示的虛線圓附近，缺少必要的支撐點，結構的剛度不足。

從表1可以看出共有七個位置點3、5、6、7、8、9、10的應力值都超出材料PP-T20的屈服極限值20MPa，所以結構改進后，還需要校核應力值是否在允許應力范圍內。

表1 儀表板指壓點產生的位移與應力值

4 結構改進及再校核

在前面有限元分析的基礎上，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筋的數量和布置。一般來說，結構滿足剛度要求后，就能夠滿足強度要求。

采取的改進措施如下：

1）將儀表板基本厚度從2.3mm修改到2.8mm；

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

圖4 新增設加強筋示意圖

采取以上兩條基本措施后，對這四個位置分析再次進行計算，得到改進后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，滿足剛度要求。改進后3、5、6、7、8、9、10位置點的應力值分別是：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，滿足強度要求。儀表板本體改進前、改進后位移和應力值如表2所示。位移云圖分別如圖5、圖6所示。

表2 儀表板本體結構改進前后位移與應力值

圖5 改進前儀表板的位移云圖

圖6 改進后儀表板的位移云圖

在對該儀表板的有限元分析過程中，發現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筋對改善結構剛度的貢獻不大。

基于成本考慮，從大規模生產的條件來看，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，在垂直于當前加強筋的方向布置相互垂直的加強筋，也能夠比較明顯的改善儀表板本體的剛度，這種布置加強筋的方式在乘用車儀表板中經常采用，不會造成過多的材料浪費，值得推薦。在以往傳統的汽車儀表板設計中，儀表板基本厚度大多數是3mm，在不改變制造工藝的前提下，希望通過有限元分析，進行結構改進后，使整個儀表板的結構布置更加合理。

5 結束語

在新產品的設計開發過程中，產品的結構設計與結構力學分析是緊密相關，相輔相成的。有限元分析為產品設計提供了有效的計算與分析方法，為產品的改進設計提供了理論依據。通過HyperWorks、ABAQUS軟件對儀表板進行了剛度分析，發現該儀表板的剛度不足之處，通過改進，消除了產品結構設計的缺陷。有限元分析在儀表板本體的設計與分析的研究結果，對其他車型的儀表板開發具有一定的參考價值。

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