汽車儀表板骨架設(shè)計中的優(yōu)化分析

2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

關(guān)鍵字:儀表板骨架剛度優(yōu)化 CAE

儀表板骨架是儀表板總成及附件的關(guān)鍵承力件,其一般結(jié)構(gòu)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(diào)、轉(zhuǎn)向模塊。對儀表板骨架的一個重要設(shè)計要求是保證一定的結(jié)構(gòu)剛度,其定義為骨架安裝在車身上,轉(zhuǎn)向管柱通過支架連到骨架上(轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)作剛性處理),方向盤處受垂直力和側(cè)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(shè)計早期的關(guān)鍵指標(biāo),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(shè)計早期必須得到嚴(yán)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(zhuǎn)向管柱的安裝方式,轉(zhuǎn)向管柱的安裝支架的設(shè)計好壞直接影響到儀表板骨架本身的剛度,所以轉(zhuǎn)向管柱的安裝支架的設(shè)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(shè)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(guān)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(tǒng)剛度的貢獻(xiàn)量不一樣,同一個安裝點的不同方向的剛度對系統(tǒng)剛度的貢獻(xiàn)量也不一樣。對貢獻(xiàn)量大的安裝點的剛度、對貢獻(xiàn)量大的方向,需要在設(shè)計之初有一個充分的認(rèn)識,進(jìn)而便于下一步采取有效的結(jié)構(gòu)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(dāng)務(wù)之急。當(dāng)整個系統(tǒng)的構(gòu)架已經(jīng)完成,每個零件的形狀以及與周邊零件的連接都已經(jīng)確定,這時可通過對儀表板骨架這一子系統(tǒng)各個零件的厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,在不降低性能的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步減重。

圖2 儀表板骨架結(jié)構(gòu)

3 優(yōu)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(jìn)行優(yōu)化分析設(shè)計。

3.1 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的優(yōu)化

轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的優(yōu)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(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,整個上下支架均為優(yōu)化區(qū)域。

目標(biāo)是:上下支架質(zhì)量最小;

約束是:反映剛度的位移小于原始結(jié)構(gòu)位移的 1.05倍,以確保一定的優(yōu)化余量;

優(yōu)化參數(shù)是:上下支架的殼單元的密度。

結(jié)果見圖3

圖3 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果中,淺蘭色的區(qū)域為趨向保留的材料,ISO surface 取 0.3。

(2) 在原始設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對支架進(jìn)行形狀優(yōu)化。

目標(biāo)是:反映剛度的位移最小;
沒有約束;
優(yōu)化的參數(shù)是:上支架某形狀的線性變化因子。

結(jié)果見圖4

圖4 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的形狀優(yōu)化結(jié)果

圖5 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架新設(shè)計

形狀優(yōu)化剛度能提高 7.8%。
通過上面轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化的結(jié)果,可以看到:
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;
支架前后過渡越緩,對性能越有利。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,將轉(zhuǎn)向管柱安裝支架設(shè)計成分體式,見圖5,新的設(shè)計剛度提高了5%,質(zhì)量減少了 0.95Kg。

3.2 儀表板骨架在車身上的安裝剛度的優(yōu)化

首先算出現(xiàn)有結(jié)構(gòu)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(shè)置為已經(jīng)算出的剛度值,不考慮cbush的轉(zhuǎn)動剛度。最后對每一個安裝點的cbush的三個方向的剛度值進(jìn)行優(yōu)化。

用不考慮轉(zhuǎn)動剛度的cbush來代替車身結(jié)構(gòu)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(yōu)化方法優(yōu)化安裝剛度。首先用 DESVAR卡片來定義優(yōu)化變量,每個安裝點,每個方向的初始剛度定義為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)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(yōu)化變量相關(guān)的屬性,屬性是用一個優(yōu)化變量的函數(shù)來定義,定義如下:

P為要優(yōu)化的屬性,Ciw為與優(yōu)化變量相關(guān)的線性比例,DVi為優(yōu)化變量。本文優(yōu)化時C₀取零,C_i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(guān)的新變量,此變量為所要優(yōu)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(yōu)化結(jié)果

目標(biāo)是:反映剛度的位移最小;
約束是:cbush各方向的剛度值總和小于初始剛度值總和;
優(yōu)化參數(shù)是:每個 cbush各方向的剛度值。

第一輪優(yōu)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(yōu)化,是根據(jù)第一輪優(yōu)化的結(jié)果選出 13個剛度值增加的剛度作為優(yōu)化參數(shù),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(jù)優(yōu)化結(jié)果,可以看到當(dāng)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(qū)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(yōu)化

厚度優(yōu)化采用尺寸優(yōu)化方法。

目標(biāo)是:進(jìn)行優(yōu)化的各零件質(zhì)量之和最小;
約束是:反映剛度的位移小于優(yōu)化前的位移,即性能不降低;
優(yōu)化參數(shù)是:儀表板骨架各個零件厚度。

目標(biāo)中的質(zhì)量要用所優(yōu)化零件的質(zhì)量和,而不要用總模型的質(zhì)量和,否則會影響收斂性,優(yōu)化循環(huán)次數(shù)會很少,優(yōu)化不充分。各零件厚度采尺寸優(yōu)化變量用 DDVAL卡片定義為離散變量,這樣結(jié)果的可用性更強。

第一輪優(yōu)化對所有11個零件的厚度進(jìn)行優(yōu)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(yōu)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(jìn)行厚度優(yōu)化。

優(yōu)化的結(jié)果見表2.

圖7 儀表板骨架

表2 厚度優(yōu)化結(jié)果

第一輪優(yōu)化結(jié)果是:質(zhì)量減少 341g,剛度提高 2.4%。

第二輪優(yōu)化結(jié)果是:質(zhì)量減小 288g,剛度提高 0.1%。

4 結(jié)論

(1) 通過對局部重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化,可以尋求到一個質(zhì)量小,性能高的結(jié)構(gòu)型式;

(2) 通過對安裝點的剛度進(jìn)行尺寸優(yōu)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(shè)計后期,整個系統(tǒng)的構(gòu)架已經(jīng)完成,每個零件的形狀以及與周邊零件的連接都已經(jīng)確定,這時可通過對子系統(tǒng)各個零件的厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,在不降低性能的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步減重,達(dá)到降低成本的目的。

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