基于CAE分析的車身鋁儀表板橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

田巖 閔珊

摘要：基于某輕量化汽車新型鋁合金儀表板橫梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，結(jié)合CAE分析技術(shù)，運(yùn)用 MSC Nastran[1] 計(jì)算結(jié)果，完成該儀表板橫梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化，使設(shè)計(jì)者可以很快速的選擇一種既經(jīng)濟(jì)同時(shí)又能滿足汽車儀表板橫梁性能要求的方案。

關(guān)鍵詞：CAE;鋁合金;儀表板橫梁;方案

1背景

進(jìn)入21世紀(jì)后，越發(fā)嚴(yán)格的環(huán)保和法規(guī)要求，整車重量呈明顯下降的趨勢(shì)?！秶沂逡?guī)劃綱要》、《中國制造2025》等都對(duì)汽車輕量化提出明確要求與目標(biāo)，截止2025年整車綜合減重應(yīng)達(dá)到9%和18%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在乘用車輕量化材料的應(yīng)用上，同級(jí)別車上我國與國外還有著明顯的差距。鋁合金國外單車平均應(yīng)用達(dá)127公斤，我國平均水平是80公斤，在我國的應(yīng)用也還處在一個(gè)較低的水平。

輕量化是達(dá)成節(jié)能、環(huán)保目標(biāo)的必要手段，掌握輕質(zhì)材料分析與優(yōu)化技術(shù)，充分利用CAE分析優(yōu)勢(shì)，拓展思路，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向成為大勢(shì)所趨。

本文針對(duì)某輕量化汽車新型鋁合金材料儀表板橫梁結(jié)果強(qiáng)度問題，通過CAE仿真技術(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，保證采用輕量材料的同時(shí)滿足汽車性能目標(biāo)要求。

2有限元模型

2.1 網(wǎng)格劃分及連接

由于該儀表板橫梁采用鑄鋁合金制造方式，因此采用Hypermesh 前處理軟件進(jìn)行建模需要考慮不等料厚的特殊情況，采用不同屬性劃分不同厚度，采用邊長3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格建模，整體儀表板橫梁采用node to node 連接方式以保持整體一致性。為了保證真實(shí)工況，將采用帶車身分析的方式盡行建模，與車身連接方式采用 rbe2 單元。有限元模型如圖1所示。

2.2 材料

計(jì)算中儀表板橫梁所用的材料參數(shù)如表1所示，車身材料按照樣車仿真模型鋼材料即可。

3仿真結(jié)果及優(yōu)化改進(jìn)

3.1 仿真結(jié)果

該仿真模型采用 MSC Nastran 進(jìn)行計(jì)算，對(duì)車身進(jìn)行完全約束，采用CAE頻響分析方法進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果采用HyperView進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

3.2 失效原因分析

對(duì)CAE 計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)儀表板橫梁下方與車身中通道區(qū)域應(yīng)力相對(duì)較大，最大應(yīng)力值為 482Mpa ，最大應(yīng)力出現(xiàn)在中間平面區(qū)域，從應(yīng)力分布云圖可以判斷并分析出裂紋及擴(kuò)展的路徑，薄弱區(qū)域主要是由于缺乏支撐結(jié)構(gòu)造成。

3.3 基于CAE 迭代計(jì)算的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)確定的儀表板橫梁屈服應(yīng)力幅值的限制目標(biāo)，以章節(jié)2 建立的CAE 分析模型為

基礎(chǔ)，進(jìn)行不同優(yōu)化建議及方案的迭代分析。通過對(duì)CAE 迭代結(jié)果的對(duì)比分析，給出最優(yōu)加強(qiáng)板方案。從圖3可以看出，該方案內(nèi)板最大應(yīng)力值為 225MPa，相比基礎(chǔ)模型，應(yīng)力降低了53%，如圖4所示。

3.4 優(yōu)化后加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)

儀表板橫梁質(zhì)量，原方案為3.72Kg，更改方案為3.83Kg，更改后儀表板支架最大應(yīng)力225MPa，小于材料屈服極限230MPa，合格。圖5為仿真改進(jìn)結(jié)構(gòu)和實(shí)際生產(chǎn)儀表板橫梁結(jié)構(gòu)圖，由圖可見，試件基本按照CAE改進(jìn)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)。

4結(jié)論

本文基于CAE 分析工具，通過仿真分析和迭代計(jì)算，在較短的時(shí)間周期內(nèi)，解決了某款輕量化汽車鋁合金儀表板橫梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的問題，為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供可行的改進(jìn)方案。同時(shí)，也給新車型的開發(fā)提供了指導(dǎo)意義，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期采用本文提到的結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度性能進(jìn)行提升。更為新材料輕量化技術(shù)的應(yīng)用提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并且再次驗(yàn)證了CAE技術(shù)對(duì)于未來輕量化汽車開發(fā)的重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李增剛，NASTRAN 快速入門實(shí)例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.