項目研發(fā)中基于輕量化的儀表板橫梁參數(shù)優(yōu)化分析

馮曉鋒 王安邦

摘 要：本文中使用ANSA前處理軟件，分析儀表板橫梁在整個系統(tǒng)中的一階固有頻率，找到支架上的薄弱環(huán)節(jié)后進行結構改進和分析。如此反復疊加優(yōu)化分析，最終在滿足性能要求的前提下實現(xiàn)了減重優(yōu)化。

關鍵詞：儀表板橫梁;參數(shù)優(yōu)化;輕量化;有限元;拓撲優(yōu)化

1 引言

近年來，國內(nèi)汽車工業(yè)迎來了快速發(fā)展期，國內(nèi)汽車保有量穩(wěn)步增長。然而，由此帶來的能源消耗及環(huán)境保護等問題則日益緊張，這必將阻礙國內(nèi)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。汽車輕量化技術作為汽車降低能耗、減少排放的有效措施，已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展過程中的一項關鍵性研究課題，而輕量化也成為國內(nèi)外各汽車廠商的核心競爭技術之一。前期設計研發(fā)中參數(shù)化分析的介入，給儀表板橫梁輕量化提供了可能。

汽車儀表板橫梁（CCB）是汽車結構中的一個十分重要的部分，擔負著儀表板總成、空調(diào)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系和安全氣囊等重要子系統(tǒng)，并為很多與控制相關的電子模塊提供安裝接口。CCB的設計質(zhì)量會直接影響汽車的NVH（Noise噪聲、Vibration振動和Harshness聲振粗糙度）性能，如方向盤的怠速抖動和汽車在勻速行駛時儀表板總成里面的振動異響等。此外，隨著對汽車輕量化的要求越來越高，要開發(fā)出既能滿足各方面性能要求，質(zhì)量又較輕的結構，成為設計工程師正在面臨的挑戰(zhàn)。

2 CCBCAE性能分析

2.1 CCB分析與設計流程

本項目使用ANSA前處理軟件，首先，將儀表板橫梁安裝整車位置進行約束，然后，分析儀表板橫梁在整個系統(tǒng)中的一階固有頻率，找到支架上的薄弱環(huán)節(jié)后進行結構改進，再分析。如此反復疊加優(yōu)化分析，最終在滿足性能要求的前提下減重優(yōu)化，得到最優(yōu)結果。

2.2 CCB約束及性能定義

此項目CCB采用側(cè)面滑槽定位，前后X向安裝，與前車圍、前地板共有10個定義約束。每個安裝點以及同一安裝點不同方向的剛度對系統(tǒng)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，便于針對性地采取有效結構形式滿足安裝剛度要求。

方向盤的模態(tài)及剛度作為儀表板橫梁主要的性能考核指標，貫穿儀表板研發(fā)的整個階段。該性能指標直接反映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。

另外，CCB整體一階模態(tài)直接影響乘員對儀表板總成的直觀共振感知，也是前期研發(fā)輕量化中保證的性能指標。

2.3 CCB有限元模型的建立

CCB有限元模型由轉(zhuǎn)向管柱、儀表板橫梁等組成。其中，管梁材料ST37-2G，其余沖壓件為DC01。為了真實準確地模擬整個系統(tǒng)的振動特性，本次分析中使用了的材料，將Catia Part模型數(shù)據(jù)先在ANSA軟件中處理成中性面，加入板厚信息，劃分好網(wǎng)格。要對網(wǎng)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(wǎng)格盡量合理均勻分布，同時考慮支架上的焊點。

2.4 CCB性能分析及結果

將網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)輸出給MSC Nastran進行模態(tài)計算，計算得到其前20階的模態(tài)值，在后處理軟件中讀出模態(tài)振型和一階固有頻率。

要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)大于40Hz，其他局部模態(tài)不小于45Hz。轉(zhuǎn)向管柱靜剛度中心點靜剛度位移不大于1mm;排擋靜剛度不大于1.2mm。

3 CCB輕量化分析

通過MSCNastran 前后處理軟件，針對現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型性能分析結果，通過拓撲優(yōu)化、焊縫優(yōu)化、試驗設計等方法實現(xiàn)CCB的輕量化。

3.1 CCB拓撲優(yōu)化分析

基于當前此項目車型CCB焊接骨架總成設計狀態(tài)，建立拓撲優(yōu)化模型，通過靜剛度、模態(tài)等拓撲優(yōu)化工況計算，尋找最佳CCB力學傳遞路徑，提出參數(shù)設計改進方向，并建立CCB參數(shù)優(yōu)化參考有限元模型。

首先，對基礎模型分析可知，厚度占比中主管梁、左右安裝支架、排擋、中右支撐及轉(zhuǎn)向管柱占重量比重的56%，貢獻率較大。

形狀優(yōu)化主要通過工程師自身的豐富經(jīng)驗以及Benchmark修改當前的支架、襯板、橫梁等，通過多次計算確定最終有效的方案，形狀修改的零件有中左之間襯板、調(diào)整加強件方向、增加支撐件、延長加強筋等都可以提升模型的整體性能。

管梁的優(yōu)化，首次應用變截面的板厚，通過前處理軟件迭代分析截面有限元的分布，確定變截面的區(qū)域與板厚差。

3.2 CCB焊縫優(yōu)化設計

在支架和橫梁厚度變化及形狀改變的情況下，為了保證CCB整體的考核目標，可以考慮增加焊接或延長焊接長度，焊接的模擬采用Nastran求解器中的REB2單元，基于當前CCB焊接總成設計狀態(tài)，在滿足零件設計的性能參數(shù)前提下，通過對焊縫進行位置和長度優(yōu)化，降低目前設計狀態(tài)零件的生產(chǎn)以及采購成本。

3.3 CCB試驗設計DOE

根據(jù)確定的設計變量（質(zhì)量、管梁厚度、車身/地板連接支架結構、支撐支架加強件位置及形狀等參數(shù)）、設計輸出指標要求（質(zhì)量、模態(tài)、靜剛度、強度等），確定若干模型。運用Nastran軟件SOL200求解器，設定管梁、各個支架的厚度為變量，頻率為約束，質(zhì)量為目標，通過多次迭代得到最終優(yōu)化結果。

4 結論

本項目綜合運用拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、焊縫優(yōu)化以及DOE分析等多種優(yōu)化方法和算法，得出多種優(yōu)化模型，在保證CCB剛度及模態(tài)各種判定標準的情況下，CCB優(yōu)化之后減重1.5kg，減重占比14.3%;降本9元，降本占比5.4%。與Benchmark相比，此項目CCB優(yōu)化后性能提升占比4.2%;減重占比10.6%，支架數(shù)量增加占比48%。完成了輕量化目標的同時，提升了CCB自身性能。

參考文獻：

[1]龐志遠，梁鵬，田佳平.基于TRIZ理論的儀表板橫梁優(yōu)化設計[J].機械研究與應用，2009（04）：221-230.

[2]劉偉萍.儀表板性能分析及優(yōu)化[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[3]李增剛.Nastran快速入門與實例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[4]王峰，邸金南，毛萍莉.鎂合金汽車轉(zhuǎn)向管柱支架結構分析及優(yōu)化[J].機械設計與制造，2014（03）：215-230.