基于ABAQUS的某SUV副儀表板對(duì)開扶手設(shè)計(jì)要求及性能仿真分析

諶彬文

基于ABAQUS的某SUV副儀表板對(duì)開扶手設(shè)計(jì)要求及性能仿真分析

諶彬文

（江鈴汽車股份有限公司 產(chǎn)品研發(fā)總院，江西 南昌 330001）

文章介紹了兩種不同開啟方式的扶手總成，并重點(diǎn)闡明了雙開扶手總成在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)要求及其注意事項(xiàng)；同時(shí)利用有限元分析方法，對(duì)雙開扶手總成的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）分析方法進(jìn)行介紹，評(píng)估某汽車副儀表板雙開扶手在關(guān)閉及打開時(shí)的剛度、強(qiáng)度是否符合工程設(shè)計(jì)要求。首先通過HyperMesh對(duì)汽車副儀表板進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，并根據(jù)本公司的規(guī)范要求施加約束及荷載，然后將分析文件導(dǎo)入到ABAQUS分析軟件中進(jìn)行求解，分析雙開扶手總成分別在四種工況下的位移云圖及應(yīng)力云圖。分析結(jié)果表明，扶手的設(shè)計(jì)符合要求，為后續(xù)的雙開扶手總成設(shè)計(jì)開發(fā)及其CAE分析及合格判斷依據(jù)提供參考經(jīng)驗(yàn)。

副儀表板；雙開扶手；剛度；強(qiáng)度；有限元分析；ABAQUS

隨著汽車的不斷普及，消費(fèi)者對(duì)汽車外觀及性能的要求越來越高，這使得汽車的設(shè)計(jì)者需要通過不斷優(yōu)化汽車的各種造型來提高汽車品質(zhì)，來迎合消費(fèi)者的需求[1]。汽車內(nèi)飾空間是承載用戶駕駛?cè)蝿?wù)和各種交互操作的空間[2]，并與消費(fèi)者日常用車息息相關(guān)，新穎化的設(shè)計(jì)能極大地提升消費(fèi)者對(duì)品牌的好感度[3-5]。而汽車扶手總成又是汽車內(nèi)飾中副儀表板的組成部分，其設(shè)計(jì)初衷是提供儲(chǔ)物功能，使汽車駕駛員在長時(shí)間駕駛時(shí)能夠放置手臂，從而使駕駛更舒適。常用的扶手總成只有單個(gè)扶手，通過前后滑動(dòng)打開扶手或者繞著扶手后端的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)開啟扶手。而隨著奔馳等豪華品牌車型開始使用對(duì)開手枕的設(shè)計(jì)，由于其新穎的設(shè)計(jì)，大氣的外觀，受到消費(fèi)者的喜愛，國內(nèi)各大主機(jī)廠開始紛紛效仿。

本文介紹了國內(nèi)市場(chǎng)上常見的兩種開啟方式的扶手總成，并且重點(diǎn)對(duì)雙開扶手總成及其設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)說明。最后以HyperMesh和ABAQUS軟件為平臺(tái)，對(duì)某運(yùn)動(dòng)型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV）車型雙開扶手總成在關(guān)閉及打開兩種狀態(tài)下其剛度，強(qiáng)度進(jìn)行分析，利用有限元分析軟件，分析判斷雙開扶手總成在設(shè)計(jì)工況下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為后續(xù)車型雙開扶手設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

1 扶手總成概述

1.1 扶手總成分類

扶手總成主要由包覆表皮、發(fā)泡層、扶手外板、扶手內(nèi)板、扶手鉸鏈、軸及扭簧等組成，扶手內(nèi)、外板可通過卡接或者焊接兩種方式連接，最后通過緊固件與扶手箱斗及左右兩側(cè)邊板連接組成副儀表板總成。按照開啟方式的不同，扶手總成可分為前后開啟及左右開啟即對(duì)開式兩種形式，如圖1和圖2所示。前后開啟扶手總成結(jié)構(gòu)成熟簡單，成本較低，但是檔次不高，一般用于中低端車型上；左右開啟扶手總成結(jié)構(gòu)新穎，用戶感知度高，但是成本也相對(duì)較高，且左右半扶手的間隙面差及左右半扶手開啟同步性難以保證，后期需要花費(fèi)較多精力去整改調(diào)整，一般用于中高端車型上。

圖1 前后開啟扶手總成

圖2 左右開啟扶手總成

1.2 對(duì)開扶手的設(shè)計(jì)要求

1.2.1對(duì)開扶手的功能性要求

要求對(duì)開扶手的開啟力大于6.5 N而小于 12 N，以便顧客有較好的操作手感，同時(shí)扶手開啟時(shí)間定義在0.65 s～1.25 s之間，且左右半扶手開啟時(shí)間間隔小于0.2 s。

1.2.2對(duì)開扶手的精致工藝要求

左、右半扶手間隙定義為（1.5±0.5）mm，平行度要求0.5 mm，左、右半扶手面差定義為（0± 0.5）mm，以保證雙開扶手總成具有良好的精致工藝，如圖3所示。

在保證扶手可以正常開啟情況下，盡可能將扶手總成與側(cè)板的間隙做小，使扶手總成滿足精致工藝要求。此間隙值一般定義為（4±0.5）mm，如圖4所示。

圖3 左右半扶手間隙面差要求

圖4 左半扶手與側(cè)板間隙面差要求

1.2.3扶手內(nèi)外板的配合要求

由于扶手轉(zhuǎn)軸、扭簧及阻尼都是安裝在扶手內(nèi)外板上，因此，內(nèi)外板相互之間的配合非常重要。一般雙開扶手內(nèi)、外板之間采用焊接精度高的熱板焊焊接工藝。設(shè)計(jì)時(shí)焊接筋厚度一般為 1 mm，高度為11 mm～13 mm，干涉量為3 mm，布置間隙一般在10 mm～15 mm之間，且焊接筋做成S型，加大焊接面積，同時(shí)需要注意設(shè)置氣孔逃逸路徑避免焊接時(shí)的外觀缺陷。內(nèi)外板需要通過焊接工裝進(jìn)行焊接，如圖5所示。其工作原理為上模用吸盤固定內(nèi)板，下模用兩個(gè)壓塊壓住外板，內(nèi)、外板對(duì)準(zhǔn)焊接時(shí)壓塊松開，內(nèi)外板能夠自適應(yīng)對(duì)準(zhǔn)，以保證焊接精度。內(nèi)、外板設(shè)計(jì)過程中前后需放置主副定位（如圖6中1、2處所示），主定位處內(nèi)、外板的定位間隙單邊設(shè)計(jì)為 0.05 mm，保證定位準(zhǔn)確；副定位向放開到單邊0.2 mm，以保證內(nèi)、外板較容易裝配。對(duì)于內(nèi)板上裝配阻尼的結(jié)構(gòu)，在保證零件表面外觀的情況下盡可能做強(qiáng)（如圖6中3處所示），防止焊接時(shí)阻尼跳動(dòng)從而導(dǎo)致手枕不同步。

圖5 熱板焊焊接工裝

圖6 左半扶手總成

1.2.4扶手總成人機(jī)要求

為了保證扶手在打開過程中不與座椅干涉及座椅在滑動(dòng)過程中不與扶手干涉，扶手總成需滿足扶手總成與座椅靠背的包絡(luò)間隙不小于12 mm以及扶手總成與座椅坐墊的包絡(luò)間隙不小于15 mm的要求。

2 有限元模型建立

為了驗(yàn)證雙開扶手總成設(shè)計(jì)的合理性，需要通過有限元方法驗(yàn)證雙開扶手在使用過程中分別在關(guān)閉、開啟兩種狀態(tài)下的剛度、強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)要求。本文采用通用的前處理軟件HyperMesh對(duì)某SUV整個(gè)副儀表板模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以求盡可能真實(shí)模擬雙開扶手總成的實(shí)際使用工況。模型主要材料基本信息如表1所示。在有限元建模中采用tetramesh面板中volume tetra命令進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，模型中網(wǎng)格多數(shù)為六面體單元，單元尺寸為4 mm，即可保證仿真分析的剛度，又可使分析計(jì)算的時(shí)間不至于過長。使用HyperMesh軟件Analysis面板中constraint工具施加副儀表板約束條件，將副儀表板中所有與主儀表板及車身中央通道的連接點(diǎn)的六個(gè)自由度都進(jìn)行約束，有限元模型如圖7所示。

表1 有限元模型信息

圖7 有限元模型

3 有限元仿真分析

3.1 雙開扶手關(guān)閉狀態(tài)時(shí)

3.1.1剛度分析

由于雙開扶手總成左右對(duì)稱，所以以下有限元分析都以左半扶手總成作為分析對(duì)象。

工況1：在左半扶手總成中間用直徑50 mm的圓盤施加50 N的向力，計(jì)算扶手的變形量，變形量不允許超過3.5 mm。如圖8所示，雙開扶手在工況1的情況下其變形量為1.27 mm，滿足工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.1.2強(qiáng)度分析

工況2：在左半扶手總成中間用直徑85 mm的圓盤施加750 N的向力，計(jì)算扶手枕的應(yīng)力值，要求此應(yīng)力值不允許超過扶手總成對(duì)應(yīng)材料的屈服強(qiáng)度。

圖8 工況1雙開扶手關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的位移云圖

圖9 工況2 雙開扶手關(guān)閉時(shí)的應(yīng)力云圖

圖9為組成雙開扶手總成的各零件在工況2下的應(yīng)力值。表2中羅列出各應(yīng)力值及零件材料的屈服強(qiáng)度對(duì)比情況，可知雙開扶手總成在此工況下滿足強(qiáng)度要求。

通過計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engin- eering, CAE）分析可知，雙開扶手在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的剛度、強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 雙開扶手關(guān)閉時(shí)強(qiáng)度分析結(jié)果（單位：MPa）

3.2 扶手打開狀態(tài)時(shí)

3.2.1剛度分析

工況3：將雙開扶手完全開啟，在左半扶手總成前后兩側(cè)各取2個(gè)薄弱點(diǎn)施加50 N的向力，計(jì)算扶手總成的變形量，要求變形量不允許超過3.5 mm，否則扶手在此工況下剛度不滿足要求。

圖10為雙開扶手在工況3的情況下各施力點(diǎn)的變形情況，扶手剛度滿足工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖10 工況3雙開扶手完全打開時(shí)的位移云圖

圖11 工況4雙開扶手完全打開時(shí)的應(yīng)力云圖

表3 雙開扶手打開時(shí)各施力點(diǎn)的變形情況 單位：mm

3.2.2強(qiáng)度分析

工況4：將雙開扶手完全開啟，在左半扶手總成上邊緣直接用10 mm圓盤施加125 N的向力，計(jì)算扶手的應(yīng)力值，不允許其應(yīng)力值超過材料的屈服強(qiáng)度。

圖11為雙開扶手總成各組成零件在工況4的應(yīng)力值，表4中羅列出各應(yīng)力值及零件材料的屈服強(qiáng)度對(duì)比情況，可知雙開扶手總成在此工況下滿足強(qiáng)度要求。

表4 雙開扶手完全打開時(shí)的強(qiáng)度分析結(jié)果 單位：MPa

通過CAE分析，可知雙開扶手總成在開啟狀態(tài)下的剛度、強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文闡述了市場(chǎng)上常見的兩種不同開啟方式的扶手總成及其組成，同時(shí)重點(diǎn)介紹了雙開扶手總成的設(shè)計(jì)要求及其設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，為后續(xù)車型雙開扶手總成的開發(fā)提供借鑒。

針對(duì)某一SUV車型采用HyperMesh軟件建立副儀表板有限元網(wǎng)格模型，對(duì)雙開扶手在關(guān)閉及完全打開兩種情況下進(jìn)行剛度、強(qiáng)度分析，通過有限元軟件計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求做對(duì)比，判斷雙開扶手總成的設(shè)計(jì)是否符合工程設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)車型雙開扶手總成的CAE分析標(biāo)準(zhǔn)及合格判斷依據(jù)提供參考。通過分析，此SUV車型的雙開扶手總成滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 汪念,王凡,陶鈞.汽車副儀表板多學(xué)科優(yōu)化的CAE應(yīng)用[J].汽車科技,2020(2):55-58.

[2] 徐健,趙丹華.基于多樣性特征的汽車內(nèi)飾副儀表創(chuàng)新研究[J].包裝工程,2021,42(12):149-157.

[3] 王鎮(zhèn)龍,彭翼尖,梁振堃,等.淺述汽車門飾板人性化設(shè)計(jì)理念[J].汽車實(shí)用技術(shù),2021,46(11):110-113.

[4] 何睿.汽車副儀表板靜動(dòng)態(tài)性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].塑料工業(yè),2021,49(6):78-83.

[5] 余小龍.汽車儀表板異響仿真分析及優(yōu)化[D].西安:長安大學(xué),2020.

Design Requirement and Finite Element Analysis of a SUV Auxiliary Dashboard Double Side-opening Armrest with ABAQUS

CHEN Binwen

( Vehicle Engineering Research Institude, Jiangling Motors Company Limited, Nanchang 330001, China )

This paper introduces two kinds of armrest with different opening modes, and empha- tically expounds the design requirements and precautions of side-opening armrest in the process of design and development.The computer aided engineering(CAE) analysis method of the side-opening armrest is introduced by using the finite element analysis method to evaluate whether the rigidity and strength of the side-opening armrest of an automobile's console meet the engineering design requirements when it is closed and opened. Firstly, the 3D grid of the auxiliary dashboard of the car is divided through HyperMesh, and constraints and loads are imposed according to the company's specifications. Then, the analysis file is imported into ABAQUS analysis software for solution, and the displacement nephogram and stress nephogram of the side-opening armrest under four working conditions are analyzed. The analysis results show that the design of the armrest meets the requirements, It provides reference experience for the subsequent design and development of side-opening armrest and its CAE analysis and qualification judgment basis.

Auxiliary dashboard; Double side-opening armrest; Stiffness; Strength;Finite element analysis;ABAQUS

U463

A

1671-7988(2022)23-98-06

U463

A

1671-7988(2022)23-98-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.018

諶彬文（1989—），男，初級(jí)工程師，研究方向?yàn)檎囆阅?，E-mail:bchen15@jmc.com.cn。