CAE优化分析在提高仪表板横梁总成性能中的应用

熊军

摘要：文章通过对仪表板横梁、转向管柱、车身、方向盘等总成进行模态分析与试验对比，提出提升汽车仪表板横梁性能的CAE分析与设计方法。并结合工程实例，进一步针对横梁上的各个支架进行模态分析与结构优化，该方法在中华某车型开发中得到较好的应用。

关键词：仪表板横梁；CAE；分析与优化设计；结构优化

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）15-0039-02

1 概述

仪表板总成是汽车内饰总成中最重要的总成零部件，其上安装了很多重要部件，如方向盘、CD机、空调面板、空调出风口、副安全气囊等。仪表板设计合理、整体美观、使用性能好坏与否，直接决定了顾客对于整车性能的直观评价。而仪表板横梁作为仪表板总成重要的承重件，而且是架构件之一，在该平台的一系列车型是通用的。因此如果仪表板横梁设计不合理，强度差，容易造成连接在其上的零件发生变形、低频抖动等质量问题。在仪表板横梁总成上承载受力最大的零件是安装转向管柱的支架，此支架设计是否合理关系到整车NVH（Noise，Vibration，Harshness）水平。

2 仪表板横梁模态分析

2.1 仪表板横梁分析与设计流程

本文使用Hepermesh分析软件，首先将仪表板横梁、转向管柱、方向盘、车身等放在一起，然后分析仪表板横梁在整个系统中的一阶固有频率，找到支架上的薄弱环节后进行结构改进，再分析，如果满足要求设计通过，否则再改进，如此反复优化，最终在满足频率要求的情况下适当减重，得到满意的结果。

2.2 仪表板横梁安装概述

仪表板横梁安装在车身上，转向管柱通过其安装支架连接到横梁上（转向系统当作刚性处理），方向盘处受垂直力和侧向力时抵抗变形能力，刚度方向如图1所示。此刚度值作为仪表板总成设计早期的关键指标，直接影响到驾驶员可感知的方向盘抖动和碰撞过程中方向盘的侵入变形量，必须严格保证。

仪表板横梁与车身的连接很重要，每个安装点的刚度、同一个安装点的不同方向的刚度对系统刚度的贡献量都不一样，对贡献量大的需要在设计之初有充分的认识，便于采取有效的结构形式来满足安装刚度要求。

仪表板横梁圆管使用直线度较好的焊接钢管，厚度约为1.3～1.5mm，其他板材件用普通冷轧钢板SPCC，包括转向管柱支架、左/右侧支架、中间左/右侧支撑支架、手套箱支架、CD支架、线束支架等。

2.3 有限元模型的建立

有限元模型的整个系统由多个子系统组成，包括车身、转向管柱、仪表板横梁、方向盘等，其整体刚度是转向管柱及其安装支架和仪表板横梁的集中体现。为了缩减计算量同时能真实准确地模拟整个系统的振动特性，本次分析中使用了如图2所示的模型，将Catia Part模型数据先在Hypermesh软件中处理成中性面，加入板厚信息，划分好网格。要对网格、焊点处、各圆角、支架结合处做好重点处理，修补漏洞，使得网格尽量合理均匀分布。支架上的焊点，可利用后处理软件进行建模和设定。实际还要考虑点焊与弧焊的设定，弧焊要确定焊接长度。

2.4 有限元模型的分析

进行有限元分析，约束其转向管柱万向节和仪表板横梁的连接点，约束仪表板横梁和车身各处的固定点，将网格化的数据输出给MSC Nastran进行模态计算，计算得到其前二十阶的模态值，在后处理软件中读出模态振型和一阶固有频率。

试验时采取相同的约束方式，并分别在转向盘的竖直方向和横向施加脉冲激励，通过响应曲线识别出模态参数。试验设备包括力锤、加速度传感器、智能信号发生与数据采集系统、数据分析处理软件。

2.5 仪表板横梁有限元模型模态分析过程

最先导入的仪表板横梁数据模型，在系统中分析得到的横梁在车身约束下一阶模态频率值为26.45Hz，刚度比较弱。再考虑到仪表板、中控台等内饰件安装到车上后仪表板横梁频率的衰减，需要提高刚度。

（1）考虑到运动趋势中在转向管柱支架处存在最大位移，因此首先需要通过改善转向管柱支架的结构来提高整体高度。图3为修改前后的转向管柱支架。

通过转向管柱支架形状、结构的改变，仪表板横梁在系统装配下的一阶固有频率提高5.6Hz，频率提高率为21.2%。

（2）进一步通过对运动变形趋势的观察分析，在中部通道处运动位移也较大，因此对于左侧下支架也进行了更改。图4为修改前后的左侧下支架及中通道车身钣金。

通过左侧下支架的形状、结构及与车身连接方式的改变，仪表板横梁的一阶固有频率提高2.77Hz，频率提高率为10.5%。

（3）在转向管柱后支架处观察发现强度太弱，需要增强此件，厚度由2mm增加到3mm，表面做多处凸起和加强筋。通过此修改，仪表板横梁的一阶固有频率提高约2.32Hz，频率提高率为8.77%。

（4）除上述有显著效果的措施外，还有一些的较小的改进措施，具体是重新设计转向管柱支架，一阶固有频率为29.05Hz，提高了23.9%；改变左侧下支架的形状、结构及与车身连接方式，一阶固有频率为31.82Hz，提高了9.53%；转向管柱支架后连接点与制动踏板支架相连，一阶固有频率为35.65Hz，提高了5.38%。

（5）同时还考虑了一些连接支架、连接点取消可能造成的不良后果，具体是如果把与仪表板前面上车身连接的支架去掉，那么仪表板横梁的一阶固有频率将直接下降2.59Hz，证明此支架不能取消；考虑到与中控台的连接需要，一度将序号3左侧下支架与车身的连接点加高，导致仪表板横梁的一阶固有频率下降3.18Hz，证明此更改不符合NVH要求。

最终将仪表板横梁的一阶固有频率提高到35Hz以上，满足了仪表板系统对于NVH的需要，由此可见CAE分析对于设计的指导作用非常大。

3 结语

上述工程实例，通过CAE优化分析使得最终仪表板横梁的一阶固有频率提高到35Hz以上，满足了仪表板系统对于NVH的需要。由此可见CAE分析对于设计的指导作用非常大。大大提高了系统NVH性能，既节省了设计的时间，又提高了优化的效果，同时在优化模态的基础上进一步减重，降低成本，也为其他结构件的优化设计提供了方法上的借鉴。

参考文献

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