汽車(chē)副儀表板多學(xué)科優(yōu)化的CAE應(yīng)用

汪念 王凡 陶鈞

摘要：基于汽車(chē)內(nèi)飾件設(shè)計(jì)中的性能要求，需要對(duì)副儀表板同時(shí)進(jìn)行模態(tài)和頭碰CAE分析。一般情況下，一階模態(tài)為Y方向橫擺，提高模態(tài)需要加強(qiáng)副儀表板連接地板的支架;頭碰反加速度往往偏高，需要減弱副儀表板連接地板支架。振動(dòng)和碰撞安全的優(yōu)化區(qū)域重合，優(yōu)化方向相反。使用多學(xué)科CAE優(yōu)化的方法，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)性能協(xié)同優(yōu)化，同時(shí)滿足性能目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：振動(dòng);碰撞安全;優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2020）02-0055-04

汪念

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，現(xiàn)就職東風(fēng)延鋒汽車(chē)飾件系統(tǒng)有限公司，任CAE工程師，主要研究方向?yàn)槠?chē)內(nèi)飾CAE。

1項(xiàng)目背景

隨著汽車(chē)的不斷普及，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)性能的要求越來(lái)越高，這使得汽車(chē)的設(shè)計(jì)者需要不斷優(yōu)化汽車(chē)的各種性能來(lái)提高汽車(chē)品質(zhì)，以迎合消費(fèi)者的需求。在汽車(chē)的眾多性能中，副儀表板的振動(dòng)和碰撞安全非常重要，直接影響舒適性和乘員安全。本文以某量產(chǎn)車(chē)型為例，討論如何在汽車(chē)副儀表板的設(shè)計(jì)兼顧這兩種性能。

為了滿足振動(dòng)、碰撞安全要求需要進(jìn)行模態(tài)和頭碰CAE分析，并成滿足以下要求：1.一階模態(tài)≥34Hz;2.頭碰的3ms反加速度≤72g。

一階模態(tài)頻率太低，副儀表板會(huì)和發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率共振，產(chǎn)生異響，影響乘坐舒適性和駕駛體驗(yàn)。一般要求一階模態(tài)頻率大于汽車(chē)怠速激勵(lì)頻率即≥34Hz，這就需要提高結(jié)構(gòu)剛度以提高模態(tài)。

頭碰的反加速度太高會(huì)增加在碰撞過(guò)程中副儀表板對(duì)乘員造成的傷害，按照內(nèi)突法規(guī)GB_11552要求，需要頭碰反加速度不大于80g，考慮到CAE分析誤差，一般在頭碰CAE分析中要求頭碰的3ms≤72g。為了降低頭碰反加速度，往往需要降低結(jié)構(gòu)剛度。

在設(shè)計(jì)中需要兼顧到模態(tài)和頭碰的平衡，而這兩種性能的優(yōu)化方向反，且影響區(qū)域重合。要解決這種問(wèn)題，就需要利用多學(xué)科CAE優(yōu)化，同時(shí)滿足這兩種性能要求。

2分析過(guò)程

2.1模型建立

副儀表板總成由多個(gè)零件組成，通過(guò)HYPERMESH進(jìn)行幾何清理后分別劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類(lèi)型為殼單元;然后將各零件進(jìn)行裝配，為保證計(jì)算的精確度，需要調(diào)整各配合邊界，確定網(wǎng)格無(wú)初始穿透。

副儀表總成的各零件之間固定方式很多，一般來(lái)說(shuō)，由焊接、螺釘、卡扣、定位等方式連接。按照副儀表板和周?chē)h(huán)境件的固定方式，對(duì)邊界條件進(jìn)行相應(yīng)約束。

2.2材料設(shè)置

副儀表板使用的材料按照零件不同，有PP、ABS、PC/ABS、鈑金等，并且相同種類(lèi)的塑料，牌號(hào)也非常的多;同理，飯金材料也有很多不同牌號(hào)。

模態(tài)CAE分析軟件為OptiStruct，材料卡片都采用線性材料Matl，主要參數(shù)為彈性模量、密度和泊松比。

頭碰CAE分析軟件為L(zhǎng)S-DYNA，材料卡片采用彈塑性材料Mat24，它除了可以定義彈性模量、密度和泊松比，還可以定義不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線和材料失效，以滿足頭碰這種高速非線性分析的要求。

2.3工況設(shè)置

模態(tài)CAE分析采用汽車(chē)行業(yè)常用的蘭索斯法（Lanczos），分析軟件為Altair公司的OptiStruct，軟件中載荷類(lèi)型為Eigrl，一般需要求解前幾階模態(tài)。

頭碰CAE分析中，按照GBll552的規(guī)定，根據(jù)后排H點(diǎn)在副儀表板上劃出頭碰區(qū)域，然后在該區(qū)域中選出幾個(gè)頭碰點(diǎn)，再使用半徑82.5mm的剛性球頭以24.1Km/h初速度對(duì)頭碰點(diǎn)進(jìn)行撞擊，計(jì)算球頭的反加速度。設(shè)置副儀表板自身的接觸為自動(dòng)單面接觸;設(shè)置球頭和副儀表板之間的接觸為自動(dòng)面面接觸。

3分析結(jié)果評(píng)價(jià)

3.1初始CAE結(jié)果

經(jīng)過(guò)CAE分析，一階模態(tài)34.8Hz，大于34Hz，滿足要求，振動(dòng)方向?yàn)閅向;3個(gè)頭碰點(diǎn)3ms clip>72g，不滿足要求。

模態(tài)振型圖和頭碰一階模態(tài)34.8Hz，大于34Hz加速度曲線見(jiàn)下圖3：

3.2初始CAE結(jié)果解析和優(yōu)化嘗試

分析模態(tài)振型和應(yīng)變能圖后，發(fā)現(xiàn)一階模態(tài)是Y向振動(dòng)，并且副儀表板連接地板的鈑金支架上應(yīng)變能集中。結(jié)合分析結(jié)果和以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)該鈑金支架的Y向剛度對(duì)一階模態(tài)有重大影響。

分析頭碰動(dòng)畫(huà)和加速度曲線后發(fā)現(xiàn)，在頭碰加速度曲線處于峰值的時(shí)刻，副儀表板連接鈑金的支架有明顯的應(yīng)力集中，并且該鈑金支架的在z向沒(méi)有繼續(xù)潰縮。結(jié)合分析結(jié)果和以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)該鈑金支架的z向剛度直接影響頭碰。

經(jīng)過(guò)以上解析，我們發(fā)現(xiàn)該鈑金支架同時(shí)影響模態(tài)和頭碰?？紤]到目前3個(gè)頭碰點(diǎn)3ms加速度都大于72g，我們首先嘗試打斷支架的紅框處以同時(shí)降低z向剛度，頭碰3ms加速度都降至72g以下，但是一階模態(tài)降至30Hz在，不滿足要求了。

這表明該方案同時(shí)降低了Y向和z向剛度，而我們需要模態(tài)保持在34Hz在以上的同時(shí)頭碰3ms加速度降低至72g以下。這就需要一種保持Y向剛度的同時(shí)，z向剛度能有效降低的新型鈑金支架結(jié)構(gòu)。

3.3優(yōu)化方案1

基于之前的解析和優(yōu)化嘗試，我們對(duì)飯金支架進(jìn)行了下圖右側(cè)的優(yōu)化。地板支架下計(jì)成

框架結(jié)構(gòu)，保證了Y向剛度;而支架上端是個(gè)開(kāi)放結(jié)構(gòu)，容易在z向潰縮優(yōu)化。

經(jīng)過(guò)分析，優(yōu)化方案1的一階模態(tài)僅降低0 4Hz，頭碰3ms clip最多降低7.7g，表明了該方案的優(yōu)化方向是正確的，模態(tài)頻率降低很少，而頭碰加速度可以大幅降低。后續(xù)需要對(duì)該方案的局部進(jìn)行細(xì)化，以便進(jìn)一步降低頭碰反加速度。

3.4優(yōu)化方案2

鑒于目前頭碰反加速度雖然有明顯降低，依舊超過(guò)72g，我們?cè)阝k金支架的z向剛度繼續(xù)進(jìn)行弱化。由于減少料厚或者進(jìn)行大的結(jié)構(gòu)更改很容易導(dǎo)致模態(tài)降低過(guò)快而低于34Hz，我們只考慮對(duì)鈑金支架的局部進(jìn)行去掉翻邊，挖小型潰縮缺口等方式進(jìn)行弱化。

經(jīng)過(guò)大量嘗試，考慮了工藝性的要求，在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上對(duì)紅色和藍(lán)色支架做了去翻邊和挖缺口的措施。采用了這些局部修改措施后，能夠使支架在z向更好潰縮，同時(shí)盡量減小對(duì)Y向剛度影響。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化，模態(tài)和頭碰性能同時(shí)滿足了要求。

3.5優(yōu)化過(guò)程小結(jié)

經(jīng)過(guò)兩輪優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種新的鈑金支架結(jié)構(gòu)形式，既能保證Y向有足夠的剛度，同時(shí)容易在z向潰縮。最終模態(tài)僅僅降低了0.8Hz在，而頭碰3ms加速度最多降低了11.8g。按照以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，修改這種鈑金支架，模態(tài)至少降低5Hz在，頭碰才能降低10g。

以上結(jié)果表明這種鈑金的結(jié)構(gòu)形式非常成功，便于優(yōu)化頭碰的同時(shí)可以很好地保證模態(tài)頻率。我們這種先確定不同性能的優(yōu)化方向，再進(jìn)行局部?jī)?yōu)化的多學(xué)科優(yōu)化方法，在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)，可以很好地在將來(lái)推廣。

3.6實(shí)物試驗(yàn)和CAE結(jié)果對(duì)比

該項(xiàng)目采用了我們的最終優(yōu)化方案，并對(duì)產(chǎn)品完成了試制。我們按照CAE分析中的約束條件和加載方式，委托檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)副儀表進(jìn)行了模態(tài)和頭碰試驗(yàn)，測(cè)試它的模態(tài)以及頭碰反加速度。

經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，最終一階模態(tài)實(shí)測(cè)值.34 3Hz，3個(gè)頭碰點(diǎn)3ms加速度實(shí)測(cè)值都小于72g，振動(dòng)和碰撞安全性能都滿足了客戶標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了預(yù)期效果。通過(guò)對(duì)LLcAE和試驗(yàn)結(jié)果，兩者數(shù)值比較接近，證明了該CAE模型精度可以接受。

在后續(xù)工作中，我們將繼續(xù)提高CAE模型精度，對(duì)某些做了簡(jiǎn)化處理的結(jié)構(gòu)，比如導(dǎo)軌滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、鉸鏈旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、表皮、發(fā)泡結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化，使得CAE分析可以更好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。

4結(jié)論

副儀表在設(shè)計(jì)中往往需要兼顧多個(gè)性能，其中振動(dòng)和碰撞安全性能的優(yōu)化區(qū)域重合。在以往項(xiàng)目中，經(jīng)常需要對(duì)該區(qū)域反復(fù)優(yōu)化，達(dá)成一個(gè)性能目標(biāo)時(shí)，另一個(gè)性能目標(biāo)往往不能滿足要求，想得到完美的優(yōu)化方案非常困難。

該項(xiàng)目首先嘗試了比較極端的優(yōu)化方案，發(fā)現(xiàn)效果不好后，及時(shí)地摒棄了錯(cuò)誤的優(yōu)化思路，再通過(guò)優(yōu)化方案1確定優(yōu)化方向，優(yōu)化方案2對(duì)它進(jìn)行細(xì)化，得到最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)。這種先確定不同性能的優(yōu)化方向，再進(jìn)行局部?jī)?yōu)化的多學(xué)科優(yōu)化方法，在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)，可以作為一種成功的優(yōu)化方法在將來(lái)推廣，可以更快速地得到最佳優(yōu)化方案。

該項(xiàng)目的成功實(shí)施為副儀表板的模態(tài)和頭碰性能的多學(xué)科優(yōu)化提供了參考，避免了以往項(xiàng)目中只注重改善某個(gè)性能而導(dǎo)致其他性能發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的情況，這種優(yōu)化思路可以推廣到其他產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中。這種副儀表板后支架可以固化下來(lái)，作為通用形式應(yīng)用于后續(xù)的副儀表板項(xiàng)目中，以后的項(xiàng)目只需對(duì)該支架進(jìn)行微調(diào)固定點(diǎn)的位置、縮放尺寸，即可同時(shí)滿足頭碰和模態(tài)的要求。

隨著汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的縮短和性能要求越來(lái)越多，多學(xué)科優(yōu)化將會(huì)成為將來(lái)設(shè)計(jì)工作中縮短優(yōu)化迭代次數(shù)，加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度的重要手段。如何同時(shí)對(duì)更多的性能進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化將是未來(lái)CAE工作面臨的挑戰(zhàn)。