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      一款新乘用車儀表板本體的剛度分析與改進(jìn)

      2015-07-07 07:05:44龔運(yùn)息林志立
      制造業(yè)自動(dòng)化 2015年6期
      關(guān)鍵詞:指壓儀表板加強(qiáng)筋

      龔運(yùn)息,林志立

      (廣西科技大學(xué) 工程研究中心,柳州 545006)

      0 引言

      汽車儀表板是汽車內(nèi)飾中最重要的組成部分,是各種儀表、信號(hào)及操作開關(guān)的集合處,是汽車的操縱與顯示的集中部位。為了滿足產(chǎn)品的功能要求和審美要求,汽車儀表板常采用大圓弧過渡曲面、大跨度流線設(shè)計(jì),既表現(xiàn)了流暢統(tǒng)一的美感,又提高了安全性[1,2],大多數(shù)汽車儀表板本體采用注塑成型。采用注塑成型的汽車儀表板本體需要有足夠的強(qiáng)度和剛度,能承受儀表、管路和雜物的負(fù)荷,能抵抗一定的沖擊[3]。因此在設(shè)計(jì)階段,需要對(duì)儀表板本體進(jìn)行有限元分析,計(jì)算其剛度和位移。通過應(yīng)用有限元分析軟件HyperWorks 12.0、ABAQUS 13.0對(duì)儀表板本體進(jìn)行有限元分析[4,5]。通過分析發(fā)現(xiàn),儀表板本體的初步設(shè)計(jì)方案中,存在受力的薄弱環(huán)節(jié),受力變形超出產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。通過結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改進(jìn)設(shè)計(jì),消除了薄弱環(huán)節(jié),滿足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

      1 儀表板有限元模型的建立

      1.1 模型的清理與簡化

      汽車儀表板的設(shè)計(jì)總成,包括儀表板本體,以及中央蓋板、手套箱、除霜風(fēng)道、空調(diào)風(fēng)道和儀表板焊接管梁等零件。總成中的儀表板本體物理尺寸最大,且結(jié)構(gòu)單薄,承受多種零部件載荷及外力影響。為了簡化計(jì)算,同時(shí)為了計(jì)算精確,重點(diǎn)要核算的是儀表板本體的剛度和強(qiáng)度。為了準(zhǔn)確地分析儀表板本體的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性,在建立有限元模型前,先根據(jù)求解問題的要求對(duì)儀表板總成進(jìn)行幾何清理與簡化。采用的清理與簡化措施是:

      1)忽略中央蓋板、手套箱、除霜風(fēng)道、空調(diào)風(fēng)道和儀表板焊接管梁等零件;

      2)對(duì)導(dǎo)入的CAD模型進(jìn)行拓?fù)湫迯?fù)與改進(jìn),建立正確的曲面連接關(guān)系;

      3)刪去所抽取的中性面中所有倒角、R≦3mm的圓角;

      4)為了保證加強(qiáng)筋與主體的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的重合,用加強(qiáng)筋的中性面與主體相互切割,做出切割線。

      1.2 有限元模型的建立

      儀表板本體的網(wǎng)格模型是將儀表板CAD模型導(dǎo)入HyperMesh軟件后,進(jìn)行幾何清理與網(wǎng)格劃分獲得。該儀表板的本體采用板殼單元來模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,網(wǎng)格單元以四邊形為主的殼單元進(jìn)行離散,為了保證計(jì)算精度,選擇單元的尺寸為5mm。探頭采用直徑為20mm、高25mm帶圓球接觸頭的圓柱,均布載荷為100N/314mm2,并定義為剛體。通過劃分儀表板的有限元網(wǎng)格,設(shè)置儀表板與探頭的接觸,定義儀表板的約束、載荷條件,建立起整個(gè)儀表板本體的有限元模型。

      考慮到儀表板的工作要求及環(huán)境條件,儀表板本體選用材料為PP-T20(改性聚丙烯)[6],查找材料的機(jī)械性能,作為模擬分析的一項(xiàng)重要條件。彈性模量E=1530MPa,泊松比μ=0.3851,密度ρ=1.05×10-9t/mm3,屈服極限σs=20MPa,強(qiáng)度極限σb=35MPa[7]。

      2 邊界條件

      2.1 約束條件

      為了更加真實(shí)地模擬儀表板的實(shí)際安裝情況,模擬的約束條件是:先要考慮儀表板是安裝在整車上的,這就需要約束儀表板周圍一圈所有周點(diǎn)的三個(gè)方向的位移和繞三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn);還要考慮在此次有限元分析中,是忽略除霜風(fēng)道、空調(diào)風(fēng)道和焊接管梁等附件,這就需要在這些附件與儀表板本體安裝位置約束六個(gè)自由度,儀表板的約束位置如圖1的實(shí)線圓圈所示。

      圖1 儀表板的約束點(diǎn)

      2.2 載荷定義

      在本次儀表板有限元分析中,通過球頭圓柱按壓儀表板本體表面,分析其相對(duì)位移與應(yīng)力變化情況,即模擬指壓儀表板工況。具體的加載情況是:根據(jù)儀表板的結(jié)構(gòu)形狀、加強(qiáng)筋的布置以及約束模態(tài)的模態(tài)位移量,選定出14個(gè)位置點(diǎn),分別對(duì)其加載均布力來模擬指壓分析,記錄位置點(diǎn)的位移及其周圍的應(yīng)力變化,指壓分析的布置點(diǎn)如圖2、圖3所示。

      圖2 儀表板的指壓點(diǎn)(1~10點(diǎn))

      圖3 儀表板的指壓點(diǎn)(11~14點(diǎn))

      2.3 接觸定義

      在儀表板有限元分析中,對(duì)探頭與儀表板的接觸位置設(shè)定接觸關(guān)系,以防止節(jié)點(diǎn)穿透,保證計(jì)算的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性[8]。定義探頭的接觸面作為接觸的主面,儀表板的接觸面作為接觸的從面,滑移模式采用默認(rèn)的有限滑移,接觸類型選擇面面接觸。為了使接觸關(guān)系穩(wěn)定的建立起來,需要對(duì)探頭的自由度加以限制,在這里需要約束除接觸點(diǎn)法向外的五個(gè)自由度。

      3 計(jì)算結(jié)果與分析

      儀表板剛度設(shè)計(jì)的要求,由于目前國內(nèi)大部分汽車廠商很少對(duì)儀表板結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全正向設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)時(shí)往往參照公司以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及主觀評(píng)價(jià)情況設(shè)定剛度設(shè)計(jì)要求[9]。該款儀表板本體的加載及位移和應(yīng)力指標(biāo)如表1所示。

      在HyperMesh軟件中建立模型后,導(dǎo)出inp文件并提交于ABAQUS求解,得到儀表板指壓點(diǎn)的變形與應(yīng)力結(jié)果,如表1所示。從表1可以看出,儀表板的位置點(diǎn)6、7、8、9超出允許變形量,位移值偏大,特別是指壓位置8超出允許變形量達(dá)3.4mm。從儀表板的結(jié)構(gòu)形式也可以看出,其背面的加強(qiáng)筋較少,各加強(qiáng)筋之間的距離偏大,這幾個(gè)指壓點(diǎn)都靠如圖1所示的虛線圓附近,缺少必要的支撐點(diǎn),結(jié)構(gòu)的剛度不足。

      從表1可以看出共有七個(gè)位置點(diǎn)3、5、6、7、8、9、10的應(yīng)力值都超出材料PP-T20的屈服極限值20MPa,所以結(jié)構(gòu)改進(jìn)后,還需要校核應(yīng)力值是否在允許應(yīng)力范圍內(nèi)。

      表1 儀表板指壓點(diǎn)產(chǎn)生的位移與應(yīng)力值

      4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及再校核

      在前面有限元分析的基礎(chǔ)上,為了滿足儀表板的剛度要求,需要采取兩種措施,一是增加儀表板本體的基本厚度,二是增加和改善加強(qiáng)筋的數(shù)量和布置。一般來說,結(jié)構(gòu)滿足剛度要求后,就能夠滿足強(qiáng)度要求。

      采取的改進(jìn)措施如下:

      1)將儀表板基本厚度從2.3mm修改到2.8mm;

      2)采取局部加強(qiáng)剛度,在儀表板位置點(diǎn)6、7、8、9的背面增加四根加強(qiáng)筋,如圖4所示。

      圖4 新增設(shè)加強(qiáng)筋示意圖

      采取以上兩條基本措施后,對(duì)這四個(gè)位置分析再次進(jìn)行計(jì)算,得到改進(jìn)后6、7、8、9的位移值分別是:2.3mm、2.5mm、2.7mm、2.4mm,均在3mm的允許范圍內(nèi),滿足剛度要求。改進(jìn)后3、5、6、7、8、9、10位置點(diǎn)的應(yīng)力值分別是:16.5Mpa、18.0Mpa、17.8Mpa、18.4Mpa、17.6Mpa、17.5Mpa、17.2Mpa,均小于材料的屈服極限20MPa,滿足強(qiáng)度要求。儀表板本體改進(jìn)前、改進(jìn)后位移和應(yīng)力值如表2所示。位移云圖分別如圖5、圖6所示。

      表2 儀表板本體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后位移與應(yīng)力值

      圖5 改進(jìn)前儀表板的位移云圖

      圖6 改進(jìn)后儀表板的位移云圖

      在對(duì)該儀表板的有限元分析過程中,發(fā)現(xiàn)增加它的基本厚度能夠顯著改善剛度不足,而僅僅增加如圖4所示的單方向的加強(qiáng)筋對(duì)改善結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)不大。

      基于成本考慮,從大規(guī)模生產(chǎn)的條件來看,如果通過增加儀表板的基本厚度來改善剛度,則會(huì)造成材料成本的增加,這是要引起重視的。另則,如果在儀表板的制造工藝條件允許的前提下,在垂直于當(dāng)前加強(qiáng)筋的方向布置相互垂直的加強(qiáng)筋,也能夠比較明顯的改善儀表板本體的剛度,這種布置加強(qiáng)筋的方式在乘用車儀表板中經(jīng)常采用,不會(huì)造成過多的材料浪費(fèi),值得推薦。在以往傳統(tǒng)的汽車儀表板設(shè)計(jì)中,儀表板基本厚度大多數(shù)是3mm,在不改變制造工藝的前提下,希望通過有限元分析,進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后,使整個(gè)儀表板的結(jié)構(gòu)布置更加合理。

      5 結(jié)束語

      在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中,產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)力學(xué)分析是緊密相關(guān),相輔相成的。有限元分析為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了有效的計(jì)算與分析方法,為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。通過HyperWorks、ABAQUS軟件對(duì)儀表板進(jìn)行了剛度分析,發(fā)現(xiàn)該儀表板的剛度不足之處,通過改進(jìn),消除了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷。有限元分析在儀表板本體的設(shè)計(jì)與分析的研究結(jié)果,對(duì)其他車型的儀表板開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

      [1]蘇榮.HFC1061汽車儀表板設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù),1998(12):14-17.

      [2]朱險(xiǎn)鋒,蔡蘭,王霄,劉會(huì)霞.基于逆向工程的汽車儀表板開發(fā)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2005(05):145-146,149.

      [3]趙濤,柴黎明.汽車儀表板設(shè)計(jì)與制造[J].客車技術(shù)與研究,2010(6):34-36.

      [4]張勝蘭,鄭冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.10.

      [5]謝爆,陶其銘.基于ABAQUS的汽車儀表板模態(tài)及剛度分析 [J].常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2013,27(4):65-69.

      [6]周玉蓉,韋光珍.汽車儀表盤注塑模優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010,32(08):232-234.

      [7]汽車工程手冊(cè)編輯委員會(huì),汽車工程手冊(cè)(設(shè)計(jì)篇)[M].北京:人民交通出版社,2000.7.

      [8]姜勇,那景新,王童.某客車側(cè)翻安全性吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].汽車工程,2012,34(8):443-446.

      [9]湯艷,汪明民,汪東斌,等.儀表板剛度設(shè)計(jì)要求及改善分析[J].汽車零部件,2014(02):41-44.

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