輕量化儀表板管梁開發

霍長宏 李朔 秦昀

摘 要：目前，輕量化已經成為未來汽車行業發展的重要技術之一，輕量化可以使汽車產品的重量降低、性能提升，節能、安全。儀表板管梁是汽車內飾重量最重要組成部分之一，傳統鋼制一般重9-10kg，隨著鋁合金材料在汽車行業的廣泛應用，我們對其在儀表板管梁上的運用作了嘗試，成功的達成了降重40%以上的目標。文章詳細介紹了鋁合金儀表板管梁的設計思路和CAE分析過程，對輕量化儀表板管梁設計研究有極高的指導作用。

關鍵詞：儀表板管梁;輕量化;鋁合金;CAE中圖分類號：U462

文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2019）04-47-02

引言

目前，輕量化已經成為未來汽車行業發展的重要技術之一，輕量化可以使汽車產品的重量降低、性能提升、節能、安全。儀表板管梁是汽車內飾重量最重要組成部分之一的，其作為鋼制結構件，基材選用20#無縫鋼管及SPCC鋼板沖壓支架焊接而成，焊接工藝采用CO2氣體保護焊，材料及制造工藝較為傳統，導致其密度及重量偏大，有著極其可觀的降重空間。

本文從實際車型設計出發，歸納總結了以鋁合金儀表板管梁為代表的輕量化儀表板管梁設計的基本思路與性能分析要點，從材料選擇、工藝選擇、設計要點和CAE性能要求等方面闡述。基于深入的理論研究并結合產品開發的實踐經驗，對輕量化儀表板管梁設計有極高的指導作用。

1 設計要點

由于鋁合金密度僅為2.7kg/cm3只有鋼的1/3，據以往經驗，在達到相同產品性能的前提下鋁合金替代鋼制材料甚至可以達到30%-50%的減重率，所以我們嘗試選取鋁合金作為替代材料進行管梁的設計，最終效果喜人，輕量化效果顯著。以下詳細論述鋁合金輕量化管梁的設計過程：

1.1 材料選擇

市場可選鋁合金型材目前有6個系列。綜合考慮儀表板管梁性能要求，需要較高的強度和延伸率，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

擠壓成型是對在擠壓筒內的金屬錠胚施加外力，使之從設定的模孔中流出，從而獲得所需形狀和尺寸產品的一種方法。經調研，目前國內外主機廠鋁合金管梁均使用該方法進行產品制造。在連接工藝方面，結合鋁合金材料性能特點，鋁合金各支架之間通過惰性氣體保護焊進行焊接固定，各標準件采用拉鉚或者壓鉚固定。

1.3 結構設計要點

輕量化管梁結構設計需要滿足以下性能要求：

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

2）在側碰時能有效的防止變形而傷害到乘客，重點設計管梁本體剛度以及左右連接支架剛度。

3）支持轉向管柱功能，重點設計管梁上管柱安裝支架的結構剛度和強度，滿足管柱模態要求。

4）支持儀表板的固定，有效的提高儀表板的強度，滿足儀表板管梁模態要求。

1.4 CAE分析

在滿足結構設計要求的前提下，我們需要對設計的合理性和能否達成性能要求進行CAE驗證，具體驗證項目和方法要求如下：

1.4.1 ODB分析

要求：前圍支架承受壓潰力大于8KN。

方法：1）約束兩邊的車身安裝點以及地板的安裝點共十二個;2）給前圍支架上的板施加一個強制位移，直到樣件壓潰，提取樣件從開始到壓潰的力—位移曲線。

1.4.2 側向力分析

方法：1）約束右邊的車身安裝點以及地板的安裝點共十個;2）在左側的車身安裝點的Y向加強制位移載荷。

要求：側圍連接支架承受壓潰力大于15KN。

1.4.3 管柱支架強度分析

方法：1）約束兩邊的車身安裝點以及地板的安裝點共14個;2）在轉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 管梁模態分析

方法：約束兩邊的車身安裝點以及地板的安裝點共14個點的123456自由度，給予管梁一定激勵。

2 總結

隨著國家對節能、減排的要求日趨加嚴，汽車降重降耗工作已經被逐漸重視起來。儀表板管梁作為汽車內飾系統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計思路是一種新的嘗試和總結，隨著汽車制造工藝和開發手段的不斷提高，這些數據和設計思路還會有不斷的創新和修正，在實際應用環節，要結合實際開發水平，進行正確的判斷、參考，但設計原理是相通的，希望本文能給管梁輕量化提供一點啟發和幫助。

參考文獻

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