基于CAE分析的某車型中央扶手支架強度分析與優化設計

賀鑫,汪躍中,董華東

(奇瑞新能源汽車技術有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 引言

乘用車中央扶手位于前排駕駛室兩個座椅中間位置，用于支撐乘客手臂，保證行駛過程中的舒適性，從而有效緩解駕駛員長期駕駛的疲勞感[1]。某車型中央扶手包括扶手下本體、扶手上裝飾板、扶手上蓋板、扶手下裝飾板、扶手支架等。扶手支架作為中央扶手的骨架部分，具有承載作用，因此中央扶手支架的強度分析顯得尤為重要。

1 CAE分析

1.1 CAE分析簡介

CAE(Computer Aided Engineering，計算機輔助工程)技術是計算機技術和工程分析技術相結合形成的新興技術，理論基礎是有限元理論和數值計算方法[2]，主要是利用計算機對工程或產品進行性能與安全可靠性分析，軟件包括Nastran、ANSYS、ABAQUS、HyperWorks等[3]。CAE分析的應用改變了傳統的設計方法和流程，可以在設計階段及時發現設計中存在的缺陷和錯誤，并及時改進，從而提高設計質量和效率，極大地降低了產品的開發時間和費用，推動企業技術進步[4]。

1.2 CAE分析的工作流程

利用CAE分析對產品進行分析，主要采用圖1所示的流程。

圖1 CAE分析工作流程

2 扶手支架強度分析

2.1 建立CAE模型

HyperMesh作為HyperWorks軟件的前處理環節[5]，因具有強大的網格劃分能力、完善的網格修改工具、不錯的后處理功能以及支持多種求解器接口等優勢，而成為現代企業通用的CAE平臺[6]。

首先將圖2所示的中央扶手支架的三維實體模型進行簡化，刪除對于結果影響不大的螺栓、塑料件等零件，導入HyperMesh中進行網格劃分，建立中央扶手支架的有限元模型。模型采用以四邊形殼單元為主、三角形網格過渡的單元形態[7]。網格大小為6 mm，網格單元數量為5 754。扶手支架材料為DC01，屈服極限為190 MPa，質量為1.96 kg。建立的中央扶手支架有限元模型如圖3所示。

圖2 中央扶手支架實體模型

2.2 載荷加載

該車型的中央扶手支架是由設計部門提供，為新設計件。通過在扶手上施加載荷980 N(如圖4所示)，對其進行最大變形、最大應力等強度分析，判斷是否滿足實際需求、是否需要進行結構優化。

2.3 仿真計算

2.3.1 ABAQUS簡介

ABAQUS作為汽車行業中廣泛使用、功能強大的有限元軟件，可以分析復雜的非線性問題[8]。非線性問題包括材料非線性、邊界非線性和幾何非線性[9]。而材料非線性的彈塑性變形行為如圖5所示：應變較小時，材料性質基本為線彈性，彈性模量E為常數；當應力超過屈服應力后，剛度明顯下降，此時材料的應變包括塑性應變和彈性應變兩部分；在卸載后，彈性應變消失，而塑性應變是不可恢復的；如果再次加載，材料的屈服應力會提高，即加工硬化。

圖4 中央扶手支

圖5 材料的彈塑性行為架載荷加載

2.3.2 仿真計算與結果分析

將中央扶手支架的有限元模型轉化為inp文件，然后導入ABAQUS中進行強度仿真，最后將計算生成的odb文件導入Hyper View中進行后處理工作[10]。中央扶手支架材料、屈服強度見表1。得到的分析結果如圖6—圖10所示。

表1 中央扶手支架材料、屈服強度

圖6 中央扶手支架變形

圖7 中部支架應力

圖8 下部支架應力

圖9 下部支架應變

圖10 車身安裝支架應力

由圖6—圖10可知：中央扶手支架的最大變形為10.5 mm，扶手中部安裝支架的最大應力為191 MPa，扶手下部安裝支架的最大應力為206 MPa，車身安裝支架的最大應力為329 MPa。因此，扶手中部、下部安裝支架不滿足要求，需要進行結構優化。

2.4 結構優化

2.4.1 局部優化方案

在和設計部門交流討論后，在原方案基礎上進行局部優化，初步確定3種優化方案。

方案一：填補原方案扶手中部安裝支架的缺口，進行局部優化，如圖11所示。

圖11 方案一模型

采用上述同樣的方式，對方案一的有限元模型進行仿真計算，得到的分析結果如圖12—圖15所示。

圖12 方案一變形

圖13 方案一中部支架應力

圖14 方案一下部支架應力

圖15 方案一下部支架應變

2.4.2 輕量化方案

該車型作為新能源汽車，輕量化設計對于提升續航里程具有重要意義[11]。目前輕量化技術的主要思路是在保證產品性能、成本的前提下，采用基于性能的車身結構優化、新材料、新工藝等方式來實現減重、降耗、環保、安全等目標[12]。因此，在設計階段采用結構優化尤為重要[13]。針對該車型的中央扶手支架，在方案一局部優化的基礎上，再進行結構優化，再和設計部門的專業技術人員進行交流討論后，確定如下兩種方案：

方案二：在方案一基礎上，刪除中部支架的中部加強板，如圖16所示。

圖16 方案二模型

采用上述同樣的方式，對方案二的有限元模型進行仿真計算，得到分析結果如圖17—圖20所示。

圖17 方案二變形

圖18 方案二中部支架應力

圖19 方案二下部支架應力

圖20 方案二下部支架應變

方案三：在方案二基礎上，再刪除中部支架的底部加強板，如圖21所示。

圖21 方案三模型

采用上述同樣的方式，對方案三的有限元模型進行仿真計算，得到分析結果如圖22—圖25所示。

圖22 方案三變形

圖23 方案三中部支架應力

圖24 方案三下部支架應力

圖25 方案三下部支架應變

2.5 結果統計

根據上述分析，將原方案、優化方案的分析結果匯總如表2所示。

根據上述分析結果，可以得到如下結論：

(1)原方案的扶手中部安裝支架最大應力超過屈服強度，不滿足要求；

(2)4種方案的最大變形、扶手下部安裝支架的最大應力基本相同，最大變形滿足要求，扶手下部安裝支架雖然超過材料屈服強度，但沒有明顯塑性變形，基本都可以接受。

(3)3種優化方案的扶手中部安裝支架都滿足強度要求。

(4)方案三的扶手中部安裝支架的最大應力最小，相對原方案有很明顯的提升。

(5)綜合考慮4種方案，方案三質量最輕，符合輕量化要求。

表2 分析結果匯總

因此，選用方案三為最佳優化方案，根據方案三對該車型的中央扶手支架進行結構優化。

3 結論

(1)利用CAE分析建立中央扶手支架的有限元模型，對現有中央扶手支架進行強度分析，發現扶手中、下部安裝支架不滿足要求，需要進行結構優化。

(2)基于輕量化設計理念，提出3種優化方案，進行CAE分析，將結果匯總后進行對比分析。

(3)通過對比分析后發現，方案三為最佳優化方案，因此選用方案三進行結構優化。