汽車(chē)儀表板骨架設(shè)計(jì)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(lái)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(duì)儀表板骨架的一個(gè)重要設(shè)計(jì)要求是保證一定的結(jié)構(gòu)剛度,其定義為骨架安裝在車(chē)身上,轉(zhuǎn)向管柱通過(guò)支架連到骨架上(轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)作剛性處理),方向盤(pán)處受垂直力和側(cè)向力時(shí)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(jì)早期的關(guān)鍵指標(biāo),直接影響到駕駛員可感知的方向盤(pán)抖動(dòng)和碰撞過(guò)程中方向盤(pán)的侵入變形量,在設(shè)計(jì)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(chē)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(chē)身上的安裝剛度共同決定。對(duì)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(jì)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(jì)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(jì)均會(huì)對(duì)儀表板骨架本身的剛度有影響。

汽車(chē)儀表板骨架在車(chē)身上的安裝點(diǎn)比較多,一般有十多個(gè),每個(gè)安裝點(diǎn)的一般只關(guān)注三個(gè)平動(dòng)方向的剛度就可以了。每個(gè)安裝點(diǎn)的剛度對(duì)系統(tǒng)剛度的貢獻(xiàn)量不一樣,同一個(gè)安裝點(diǎn)的不同方向的剛度對(duì)系統(tǒng)剛度的貢獻(xiàn)量也不一樣。對(duì)貢獻(xiàn)量大的安裝點(diǎn)的剛度、對(duì)貢獻(xiàn)量大的方向,需要在設(shè)計(jì)之初有一個(gè)充分的認(rèn)識(shí),進(jìn)而便于下一步采取有效的結(jié)構(gòu)形式來(lái)盡量滿足儀表板骨架在車(chē)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(gè)系統(tǒng)的構(gòu)架已經(jīng)完成,每個(gè)零件的形狀以及與周邊零件的連接都已經(jīng)確定,這時(shí)可通過(guò)對(duì)儀表板骨架這一子系統(tǒng)各個(gè)零件的厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),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(chē)儀表板骨架剛度的幾個(gè)主要方面來(lái)對(duì)汽車(chē)儀表板骨架進(jìn)行優(yōu)化分析設(shè)計(jì)。

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(méi)有考慮車(chē)身,與車(chē)身連接的地方約束住。

(1) 在原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,整個(gè)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(jiàn)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?yàn)橼呄虮Ａ舻牟牧?ISO surface 取 0.3。

(2) 在原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)支架進(jìn)行形狀優(yōu)化。

目標(biāo)是:反映剛度的位移最小;
沒(méi)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(jiàn)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(jì)

形狀優(yōu)化剛度能提高 7.8%。
通過(guò)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(guò)渡越緩,對(duì)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(jì)成分體式,見(jiàn)圖5,新的設(shè)計(jì)剛度提高了5%,質(zhì)量減少了 0.95Kg。

3.2 儀表板骨架在車(chē)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(chē)身上的安裝剛度值。然后每一個(gè)安裝點(diǎn)用一個(gè) cbush來(lái)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(dòng)剛度。最后對(duì)每一個(gè)安裝點(diǎn)的cbush的三個(gè)方向的剛度值進(jìn)行優(yōu)化。

用不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的cbush來(lái)代替車(chē)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(shuō)明用 cbush來(lái)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(lái)定義優(yōu)化變量,每個(gè)安裝點(diǎn),每個(gè)方向的初始剛度定義為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)計(jì)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(lái)定義與優(yōu)化變量相關(guān)的屬性,屬性是用一個(gè)優(yōu)化變量的函數(shù)來(lái)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(shí)C₀取零,C_i取 1.0。

用DEQATN卡片來(lái)定義一個(gè)公式,然后用DRESP2卡片定義一個(gè)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(gè) cbush各方向的剛度值。

第一輪優(yōu)化的約束是全部 33個(gè)剛度總和小于 33個(gè)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(gè)剛度值增加的剛度作為優(yōu)化參數(shù),約束所選 13個(gè)剛度總和小于這 13個(gè)初始剛度總和。

圖6 儀表板骨架在車(chē)身上安裝點(diǎn)位置

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,可以看到當(dāng)提高G點(diǎn)和I點(diǎn)z向的安裝剛度、J點(diǎn)x向和z向剛度時(shí),對(duì)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(chē)身剛度可提高 13%。

3.3 儀表板骨架各個(gè)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(gè)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(huì)影響收斂性,優(yōu)化循環(huán)次數(shù)會(huì)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(qiáng)。

第一輪優(yōu)化對(duì)所有11個(gè)零件的厚度進(jìn)行優(yōu)化。因?yàn)楣こ躺系姆N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(duì)除了有更改限制外的其余7個(gè)零件進(jìn)行厚度優(yōu)化。

優(yōu)化的結(jié)果見(jiàn)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(guò)對(duì)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(gè)質(zhì)量小,性能高的結(jié)構(gòu)型式;

(2) 通過(guò)對(duì)安裝點(diǎn)的剛度進(jìn)行尺寸優(yōu)化,可以知道哪個(gè)位置哪個(gè)方向的安裝剛度比較重要,提高什么位置的安裝剛度對(duì)性能提高有利;

(3)在設(shè)計(jì)后期,整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)架已經(jīng)完成,每個(gè)零件的形狀以及與周邊零件的連接都已經(jīng)確定,這時(shí)可通過(guò)對(duì)子系統(tǒng)各個(gè)零件的厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),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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