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[内外饰及附件轻量化] A25汽车仪表板性能分析及轻量化研究

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发表于 2019-9-2 09:15:41 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】摘 要:仪表板作为汽车的集成操控中心,是最重要的汽车内饰件之一。在保证基本功能性要求的前提下,还需要满足相应的法规和性能要求。在HyperMesh平台下建立仪表板的有限元模型,以自由状态下的模态试验验证模型可靠性,对A25仪表板进行约束状态下的模态分析和2倍重力加速度下的刚度分析。基于以上分析结果,以模态性能和刚度性能为约束函数,以仪表板总成质量最小为优化目标对其进行轻量化设计,并对优化后的仪表板进行刚度验证,结果表明优化后的仪表板在性能方面满足要求,达到轻量化的效果。
关键词:A25仪表板;模态试验;模态分析;刚强度分析;轻量化设计
1 引言

随着生活水平的提高,消费者在购车时越来越重视汽车驾驶环境的舒适性,加之市场竞争愈发激烈,汽车内饰件的工艺水平已成为提高行业竞争力的重要砝码。仪表板总成作为集安全性、舒适性、功能性、装饰性于一体的最主要的汽车内饰件,其设计要求也变得日益严苛。

用CAE技术对仪表板进行分析和优化是目前研究的热点。文献[1]认为模态分析是振动工程的重要组成部分,利用模态分析能够得到仪表板的模态频率和振型,从而对仪表板进行振动特性分析,为其结构的改进提供理论支持;文献[2]使用CAE技术求解了仪表板约束状态下的模态频率,发现手套箱会在发动机怠速运转时会与其发生共振,通过改变手套箱的板厚以及使用一些替代材料可以改进其振动频率,从而避免共振,改善汽车的NVH性能;文献[3]通过试验研究以及相关的CAE分析表明通过增加汽车仪表板板厚可以有效提高仪表板的刚度,而通过增添加强筋则对仪表板刚度影响不大,为后续出现的仪表板刚度不足问题提供了改进方案;文献[4]阐述了CAE技术对汽车仪表板的气体辅助成型进行模拟分析,优化设计了模具的浇注系统以及气体辅助注射成型工艺,最终获得了高质量的产品。

基于CAE技术,在对仪表板进行振动性能以及力学性能分析的基础上,又对其进行了轻量化设计,指导其结构设计,降低其开发成本。

2 模型建立及验证2.1 有限元模型建立

作为结构相对复杂的薄壁型塑料件,仪表板总成由本体、仪表、仪表面罩板、空调管道、音响设备、仪表板骨架等组成,这些部件通过不同的连接方式安装在仪表板上。采用分别建模,并根据实际连接方式整体装配成完整模型的方法实现对仪表板总成的有限元建模。为了兼顾计算精度和计算效率,模型由尺寸小于(8×8)mm多边形的2D壳单元组成,网格数量146372。网格标准参数,如表1所示。

表1 网格标准参数

Tab.1 Grid Standard Parameters


仪表板有限元模型,如图1所示。

图1 仪表板有限元模型

Fig.1 Finite Element Model of Dashboard


2.2 试验验证

模态试验技术是解决工程振动问题的常用方法之一,其通过模态分析软件将采集到的系统输入和输出信号经过参数识别获得模态参数,最终得到结构相应的模态频率和振型[5]。因为自由状态下结构的振动特性更容易体现,通过自由模态试验与仿真结果相对照的方式验证有限元模型的可靠性。

采用自由悬挂的方式进行模态试验,确定结构的悬挂位置、激励位置以及测试位置很有必要。悬挂位置一般选择在振幅较小处或振幅为0的节点处,这些位置通常比较稳定;为保证整个系统可辨识性,激励位置一般要远离节点或节线。测试点一般选取在振幅较大的位置已获的尽可能高的信噪比[6]。仪表板模态试验所用到的硬件和软件,如表2所示。仪表板模态试验测试系统,如图2所示。

表2 模态试验仪器介绍

Tab.2 Introduction of Modal Test Instrument


图2 仪表板模态试验测试系统

Fig.2 Modal Test System of Dashboard


由力锤锤头上的力传感器提供激励信号,由通过石蜡粘贴在仪表板上的加速度传感器采集响应信号。通过敲击仪表板产生信号,将采集到的信号输入到采集系统中进行分析,最后通过计算机处理并查看相关结果,具体测试过程,如图3所示。采集系统得到的响应结果,如图4所示。

图3 测试过程流程图

Fig.3 Flow Chart of Test Process



图4 相应结果

Fig.4 Corresponding Results


为了减小试验误差,采取多次试验求平均值的方法将试验结果与软件仿真结果作对比结果,如表3所示。

表3 前4阶模态频率对比

Tab.3 Comparison of the First 4 Modes


观察表格数据可知,前四阶模态的误差率均满足要求(≤5%)。除了进行数值上的比较,还要进行相应频率下振型的比较,仿真中前四阶振型云图,如图5所示。对比试验所得振型描述与仿真结果,发现在相应模态频率下,仪表板振型基本一致。综上可得仪表板有限元模型的准确性较高,可用于之后的仿真计算。


图5 前四阶模态振型云图

Fig.5 The First Four Mode Shapes


3 有限元分析
3.1 约束模态分析

汽车在正常行驶过程中受到发动机和路面的双重激励,各部件都处在振动状态下。在评价仪表板时,必须要考虑其振动特性,从而避免在行驶过程中与车身或其他部件产生共振现象。建立仪表板约束模态试验平台,得到前5阶模态频率大小及振型描述,如表4所示。装配该仪表板的乘用车其发动机为四缸汽油机,怠速工况下发动机的激振频率约为23Hz。由表5可知,该仪表总成一阶约束模态为26.4Hz,高于23Hz。仪表板整体模态性能良好,满足整车匹配性能要求。

表4 前5阶频率及振型描述

Tab.4 The First 5 Frequencies and Mode Shapes


3.2 刚度分析

仪表板必须具有足够的刚性以保证其附属零件正常运作。这就要求在乘客手部和膝部易触碰到的部位施加一定的压力载荷时,零件不能产生较大的位移甚至损坏。仪表板系统的刚性一般是通过仪表板横梁骨架的结构刚度来表征的。汽车在通过障碍物时,会有一个陡然出现的重力加速度,这个加速度的范围一般是在(1~3)g之间,取中间值2g,通过模拟这个状态下的仪表板以及仪表板骨架来检验其刚度性能,其位移应小于2mm。在模态分析有限元模型的基础上,添加GRAV重力卡片,设置2g重力加速度,G取9810mm/s2,系数为-2,方向沿着负Z方向。计算结果,如图6、图7所示。从图中分析可得,2g重力加速度下仪表板总成最大位移出现在膝部护垫处,为0.85mm,仪表板骨架最大位移0.18mm,出现在手套箱支架处;最大应力出现仪表板骨架螺栓单元连接周围,为45.3MPa,远小于低碳合金钢板的弹性极限210MPa。由结果可以看出,仪表板刚度性能良好,且具有较大的轻量化空间。

图6 仪表板总成2g重力加速度下垂结果

Fig.6 The 2G of the Frame of Dashboard Assembly and the Result of Gravity Acceleration


图7 仪表板骨架2g重力加速度下垂结果

Fig.7 The 2G of the Frame of the Instrument Board and the Result of Gravity Acceleration


4 仪表板轻量化设计

轻量化设计即对仪表板进行优化分析。优化分析就是把数学方法与力学分析结合起来,以计算机为载体,建立一套科学、系统、可靠而又高效的方法或软件,通过改变产品的某些属性,让产品在满足一些约束条件的前提下,使得产品的某种性能更优。随着有限元软件的日益广泛,优化分析由最初的消极校验变为如今的主动改善,缩短了产品的设计周期,提高了产品的质量水平。一个完整的优化设计流程,如图8所示。

图8 优化设计流程图

Fig.8 Flow Chart of Optimization Design


4.1 灵敏度分析

优化分析中有很多设计变量,如果考虑每一个变量,那会是一个庞大的计算量。所以在优化分析时,通常要对设计变量进行灵敏度分析。通过灵敏度分析可以求出目标函数相对于设计变量的导数,从而确定各个设计变量对目标函数的敏感程度,避免在选择设计变量时的盲目性,减小了优化分析的工作量,提高效率并降低了成本。

通过静态灵敏度分析,推导了节点位移和结构动态固有频率对于厚度参数的灵敏度计算公式。通过灵敏度分析结果可以看出设计变量的改变对目标响应影响的程度,从而为进一步的优化设计提供依据。

(1)节点位移对设计变量的灵敏度结构的静平衡方程为:


式中:K—结构的总刚度矩阵;F—结构载荷;δ—结构的节点位移。求解得出总体坐标下的节点位移,将节点位移转换到单元坐标系下,有:


式中:λ—坐标变换矩阵,结合式(1)和式(2),节点位移对设计变量的灵敏度为:


仪表板的刚度属性都是节点位移的简单函数,所以利用节点位移对设计变量的灵敏度公式可以推导出刚度对壳单元厚度属性的灵敏度。

(2)频率对设计变量的灵敏度

由模态分析理论可知,自由运动方程为:


对设计变量x求偏导,得:


将式(5)乘以 φT,整理得:


将式(4)代入式(6)并作归一化处理可得:


而系统的固有频率f和圆频率w关系为:w=2πf,代入式(7)可得:


通过灵敏度分析最终筛选出七个对目标值影响较大的结构件作为最终设计变量。它们分别是:本体1、本体2、骨架1、骨架2、骨架3、膝部护垫、管道1。这些变量将会用于下一步的优化分析中。

4.2 优化模型建立分析

仪表板总成优化问题可表述为:

目标函数:minM(x);

设计变量:灵敏度分析中筛选出的七个部件的厚度属性;

约束条件:g1(X)≤2;g2(X)≥23

tmin≤ti≤tmaxi=1,2,3,…,n

式中:X=[t1,t2,t3,…,t7]T—设计变量中七个部件的厚度;tmin 和tmax—设计变量的上下限;M(x)—仪表板总成的质量函数,与仪表板总成材料密度、厚度属性、中面面积组成;gj(X)—约束函数,这里指的是一阶模态频率与某点位移。

4.2.1 设计变量

根据灵敏度分析的结果,选取七个部件的厚度作为设计变量,设计变量的上下限为初始板厚的±50%。

4.2.2 目标函数

本次优化的最终目的是使仪表板在达到性能标准的情况下质量最轻,从而降低整车质量,因此,目标函数为仪表板总成质量,优化目标是使仪表板总成的总质量最小。

4.2.3 约束函数

约束函数即为仪表板总成的性能要求,本次优化设计的约束函数为:仪表板总成一阶约束模态≥23Hz;在2g重力加速度下仪表板总成最大位移≤2mm。

4.3 优化结果分析

优化结果,如图9所示。

图9 仪表板优化结果

Fig.9 Optimization Result of Dashboard


选取最具代表性的19次计算结果进行分析。由图10可知,在第12次时,总质量达到最小,只有14.2kg,但此时频率约束不达标。综合考虑优化目标以及约束函数的满足,选取第16次迭代结果,此时仪表板总成的一阶约束模态频率以及刚度要求均满足性能要求,仪表板总质量由最初的18.36kg下降到16.1kg,下降了12%。

4.4 优化模型刚度验证

用“硬币加载法”对优化后的仪表板总成进行刚度检验,使用带有直径20mm接触面的测力计对仪表板的不同区域进行测试,力的大小为20N。将仪表板划分为三个区域,A区定义为高频接触区,如中控面板区域、空调出风口区域;B区定义为中频接触区,如储物盒门外板、驾驶侧下挡板等;C区定义为低频接触区,如靠近风挡的水平区域。在每个区域内取(2~3)个点进行加载,要求A、B、C三个区域的位移分别小于1mm、2mm和3mm。区域划分与取点,如图10所示。在软件中进行仿真计算结果,如表5所示。

图10 仪表板区域划分及加载点位置

Fig.10 Partition of Gauge Plate and Loading Point


表5 八个测试点的刚度对比结果

Tab.5 Comparison of the Stiffness of the Eight Test Points


观察上表数据,发现取自三个区域的八个点的刚度性能均达标,仪表板刚度性能良好。

5 结论

(1)主要研究建立了有限元模型、试验验证模型的正确性、对有限元模型进行模态分析和刚度分析,基于这些分析,提出轻量化优化设计,最后刚度验证优化后的模型,达到性能和轻量化要求。

(2)约束状态下的模态分析,结果表明仪表板总成一阶固有频率为26.4Hz大于标准要求的23Hz,仪表板振动性能良好;2倍重力加速度下的刚度分析,结果表明最大位移0.8mm,最大应力45.3MPa,远小于规定的标准值,仪表板具有较大的安全裕度。

(3)仪表板质量由18.36kg下降到16.1kg,减重比12%。并对优化后的模型进行刚度验证,结果表明了模型的合理性,达到了轻量化的要求。

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来源:期刊——《机械设计与制造》作者:马其华 1,2,孙冬鸣 1,吴 坡 1,陶 超 1

(1.上海工程技术大学汽车工程学院,上海 201620;2.东华大学高性能纤维及制品教育部重点实验室,上海 201620)




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