搜索汽車儀表板骨架設計中的優化分析
2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
關鍵字:儀表板骨架 剛度 優化 CAE
儀表板骨架是儀表板總成及附件的關鍵承力件,其一般結構形式為一根從左到右的橫梁及焊裝支架以承受各種電子、空調、轉向模塊。對儀表板骨架的一個重要設計要求是保證一定的結構剛度,其定義為骨架安裝在車身上,轉向管柱通過支架連到骨架上(轉向系統當作剛性處理),方向盤處受垂直力和側向力時抵抗變形能力,剛度方向如圖1所示。此剛度值作為儀表板總成設計早期的關鍵指標,直接影響到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,在設計早期必須得到嚴格保證。
圖1 儀表板骨架剛度分析模型
2 影響剛度的因素分析
汽車儀表板骨架剛度由儀表板骨架本身的剛度和儀表板骨架在車身上的安裝剛度共同決定。對于儀表板骨架本身的剛度,鑒于轉向管柱的安裝方式,轉向管柱的安裝支架的設計好壞直接影響到儀表板骨架本身的剛度,所以轉向管柱的安裝支架的設計很重要。此外,儀表板骨架中的橫梁與A柱連接處的接頭剛度,橫梁與前地板的連接形式,橫梁與防火墻的搭接設計均會對儀表板骨架本身的剛度有影響。
汽車儀表板骨架在車身上的安裝點比較多,一般有十多個,每個安裝點的一般只關注三個平動方向的剛度就可以了。每個安裝點的剛度對系統剛度的貢獻量不一樣,同一個安裝點的不同方向的剛度對系統剛度的貢獻量也不一樣。對貢獻量大的安裝點的剛度、對貢獻量大的方向,需要在設計之初有一個充分的認識,進而便于下一步采取有效的結構形式來盡量滿足儀表板骨架在車身上的安裝剛度要求。
為了降低油耗和減少制造成本,減重是當務之急。當整個系統的構架已經完成,每個零件的形狀以及與周邊零件的連接都已經確定,這時可通過對儀表板骨架這一子系統各個零件的厚度進行優化設計,在不降低性能的基礎上,進一步減重。
圖2 儀表板骨架結構
3 優化分析
下面就從影響汽車儀表板骨架剛度的幾個主要方面來對汽車儀表板骨架進行優化分析設計。
3.1 轉向管柱安裝支架的優化
轉向管柱安裝支架的優化模型沒有考慮車身,與車身連接的地方約束住。
(1) 在原始設計結構的基礎上進行拓撲優化,整個上下支架均為優化區域。
目標是:上下支架質量最小;
約束是:反映剛度的位移小于原始結構位移的 1.05倍,以確保一定的優化余量;
優化參數是:上下支架的殼單元的密度。
結果見圖3
圖3 轉向管柱安裝支架的拓撲優化結果
拓撲優化結果中,淺蘭色的區域為趨向保留的材料,ISO surface 取 0.3。
(2) 在原始設計結構的基礎上對支架進行形狀優化。
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目標是:反映剛度的位移最小;
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沒有約束;
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優化的參數是:上支架某形狀的線性變化因子。
結果見圖4
圖4 轉向管柱安裝支架的形狀優化結果
圖5 轉向管柱安裝支架新設計
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形狀優化剛度能提高 7.8%。
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通過上面轉向管柱安裝支架的拓撲優化和形狀優化的結果,可以看到:
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支架兩邊的材料比較重要,而中間的可以挖減重孔,甚至可以把中間的材料全部去掉;
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支架前后過渡越緩,對性能越有利。
根據優化結果,將轉向管柱安裝支架設計成分體式,見圖5,新的設計剛度提高了5%,質量減少了 0.95Kg。
3.2 儀表板骨架在車身上的安裝剛度的優化
首先算出現有結構儀表板骨架在車身上的安裝剛度值。然后每一個安裝點用一個 cbush來模擬,cbush的 x,y,z向的初始剛度分別設置為已經算出的剛度值,不考慮cbush的轉動剛度。最后對每一個安裝點的cbush的三個方向的剛度值進行優化。
用不考慮轉動剛度的cbush來代替車身結構算儀表板骨架剛度,兩者的剛度值差別僅有0.7%,這說明用 cbush來模擬是正確的。
本文采用尺寸優化方法優化安裝剛度。首先用 DESVAR卡片來定義優化變量,每個安裝點,每個方向的初始剛度定義為現有結構計算出的安裝剛度,下限定義為 0.5KN/mm,上限定義為 20.0KN/mm。然后用 DVPREL1來定義與優化變量相關的屬性,屬性是用一個優化變量的函數來定義,定義如下:
P為要優化的屬性,Ciw為與優化變量相關的線性比例,DVi為優化變量。本文優化時C0取零,Ci取 1.0。
用DEQATN卡片來定義一個公式,然后用DRESP2卡片定義一個與公式相關的新變量,此變量為所要優化變量之和,此變量用以定義cbush各方向的剛度值的總和。
Table 1安裝剛度優化結果
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目標是:反映剛度的位移最小;
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約束是:cbush各方向的剛度值總和小于初始剛度值總和;
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優化參數是:每個 cbush各方向的剛度值。
第一輪優化的約束是全部 33個剛度總和小于 33個初始剛度總和。
第二輪優化,是根據第一輪優化的結果選出 13個剛度值增加的剛度作為優化參數,約束所選 13個剛度總和小于這 13個初始剛度總和。
圖6 儀表板骨架在車身上安裝點位置
根據優化結果,可以看到當提高G點和I點z向的安裝剛度、J點x向和z向剛度時,對儀表板骨架剛度有利。
如果能夠把上面提到的初始剛度提高到右表中紅色區域所要求的值,則儀表板骨架在車身剛度可提高 13%。
3.3 儀表板骨架各個零件厚度優化
厚度優化采用尺寸優化方法。
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目標是:進行優化的各零件質量之和最小;
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約束是:反映剛度的位移小于優化前的位移,即性能不降低;
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優化參數是:儀表板骨架各個零件厚度。
目標中的質量要用所優化零件的質量和,而不要用總模型的質量和,否則會影響收斂性,優化循環次數會很少,優化不充分。各零件厚度采尺寸優化變量用 DDVAL卡片定義為離散變量,這樣結果的可用性更強。
第一輪優化對所有11個零件的厚度進行優化。因為工程上的種種原因,零件4的厚度不能增加,零件9和11的厚度不能降低,零件7的厚度只能增加到2.0mm。
第二輪優化是零件7的厚度增加到2.0mm后,對除了有更改限制外的其余7個零件進行厚度優化。
優化的結果見表2.
圖7 儀表板骨架
表2 厚度優化結果
第一輪優化結果是:質量減少 341g,剛度提高 2.4%。
第二輪優化結果是:質量減小 288g,剛度提高 0.1%。
4 結論
(1) 通過對局部重要結構進行拓撲優化和形狀優化,可以尋求到一個質量小,性能高的結構型式;
(2) 通過對安裝點的剛度進行尺寸優化,可以知道哪個位置哪個方向的安裝剛度比較重要,提高什么位置的安裝剛度對性能提高有利;
(3)在設計后期,整個系統的構架已經完成,每個零件的形狀以及與周邊零件的連接都已經確定,這時可通過對子系統各個零件的厚度進行優化設計,在不降低性能的基礎上,進一步減重,達到降低成本的目的。
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