汽车仪表板设计

汽车仪表板骨架设计中的优化分析

2009年11月13日 万方数据库






1 背景

仪表板骨架是仪表板总成及附件的关键承力件，其一般结构形式为一根从左到右的横梁及焊装支架以承受各种电子、空调、转向模块。对仪表板骨架的一个重要设计要求是保证一定的结构刚度，其定义为骨架安装在车身上，转向管柱通过支架连到骨架上（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，在设计早期必须得到严格保证。



图1 仪表板骨架刚度分析模型

2 影响刚度的因素分析

汽车仪表板骨架刚度由仪表板骨架本身的刚度和仪表板骨架在车身上的安装刚度共同决定。对于仪表板骨架本身的刚度，鉴于转向管柱的安装方式，转向管柱的安装支架的设计好坏直接影响到仪表板骨架本身的刚度，所以转向管柱的安装支架的设计很重要。此外，仪表板骨架中的横梁与Ａ柱连接处的接头刚度，横梁与前地板的连接形式，横梁与防火墙的搭接设计均会对仪表板骨架本身的刚度有影响。

汽车仪表板骨架在车身上的安装点比较多，一般有十多个，每个安装点的一般只关注三个平动方向的刚度就可以了。每个安装点的刚度对系统刚度的贡献量不一样，同一个安装点的不同方向的刚度对系统刚度的贡献量也不一样。对贡献量大的安装点的刚度、对贡献量大的方向，需要在设计之初有一个充分的认识，进而便于下一步采取有效的结构形式来尽量满足仪表板骨架在车身上的安装刚度要求。

为了降低油耗和减少制造成本，减重是当务之急。当整个系统的构架已经完成，每个零件的形状以及与周边零件的连接都已经确定，这时可通过对仪表板骨架这一子系统各个零件的厚度进行优化设计，在不降低性能的基础上，进一步减重。



图2 仪表板骨架结构

3 优化分析

下面就从影响汽车仪表板骨架刚度的几个主要方面来对汽车仪表板骨架进行优化分析设计。

3.1 转向管柱安装支架的优化

转向管柱安装支架的优化模型没有考虑车身，与车身连接的地方约束住。

(1) 在原始设计结构的基础上进行拓扑优化，整个上下支架均为优化区域。

目标是：上下支架质量最小；

约束是：反映刚度的位移小于原始结构位移的 1.05倍，以确保一定的优化余量；

优化参数是：上下支架的壳单元的密度。

结果见图3




图3 转向管柱安装支架的拓扑优化结果

拓扑优化结果中

，浅兰色的区域为趋向保留的材料，ISO surface 取 0.3。

(2) 在原始设计结构的基础上对支架进行形状优化。

目标是：反映刚度的位移最小；
没有约束；
优化的参数是：上支架某形状的线性变化因子。
结果见图4



图4 转向管柱安装支架的形状优化结果



图5 转向管柱安装支架新设计

形状优化刚度能提高 7.8%。
通过上面转向管柱安装支架的拓扑优化和形状优化的结果，可以看到：
支架两边的材料比较重要，而中间的可以挖减重孔，甚至可以把中间的材料全部去掉；
支架前后过渡越缓，对性能越有利。

根据优化结果，将转向管柱安装支架设计成分体式，见图５，新的设计刚度提高了５％，质量减少了 0.95Kg。
3.2 仪表板骨架在车身上的安装刚度的优化

首先算出现有结构仪表板骨架在车身上的安装刚度值。然后每一个安装点用一个 cbush来模拟，cbush的 x，y，z向的初始刚度分别设置为已经算出的刚度值，不考虑cbush的转动刚度。最后对每一个安装点的cbush的三个方向的刚度值进行优化。


用不考虑转动刚度的cbush来代替车身结构算仪表板骨架刚度，两者的刚度值差别仅有0.7%，这说明用 cbush来模拟是正确的。

本文采用尺寸优化方法优化安装刚度。首先用 DESVAR卡片来定义优化变量，每个安装点，每个方向的初始刚度定义为现有结构计算出的安装刚度，下限定义为 0.5KN/mm，上限定义为 20.0KN/mm。然后用 DVPREL1来定义与优化变量相关的属性，属性是用一个优化变量的函数来定义，定义如下：



P为要优化的属性，Ｃiw为与优化变量相关的线性比例，ＤＶｉ为优化变量。本文优化时C0取零，Ci取 1.0。

用DEQATN卡片来定义一个公式，然后用DRESP2卡片定义一个与公式相关的新变量，此变量为所要优化变量之和，此变量用以定义cbush各方向的刚度值的总和。







Table 1安装刚度优化结果

目标是：反映刚度的位移最小；
约束是：cbush各方向的刚度值总和小于初始刚度值总和；
优化参数是：每个 cbush各方向的刚度值。

第一轮优化的约束是全部 33个刚度总和小于 33个初始刚度总和。


第二轮优化，是根据第一轮优化的结果选出 13个刚度值增加的刚度作为优化参数，约束所选 13个刚度总和小于这 13个初始刚度总和。



图6 仪表板骨架在车身上安装点位置

根据优化结果，可以看到当提高Ｇ点和Ｉ点ｚ向的安装刚度、Ｊ点ｘ向和ｚ向刚度时，对仪表板骨架刚度有利。

如果能够把上面提到的初始刚度提高到右表中红色区域所要求的值，则仪表板骨架在车身刚度可提高 13%。
3.3 仪表板骨架各个

零件厚度优化

厚度优化采用尺寸优化方法。

目标是：进行优化的各零件质量之和最小；
约束是：反映刚度的位移小于优化前的位移，即性能不降低；
优化参数是：仪表板骨架各个零件厚度。

目标中的质量要用所优化零件的质量和，而不要用总模型的质量和，否则会影响收敛性，优化循环次数会很少，优化不充分。各零件厚度采尺寸优化变量用 DDVAL卡片定义为离散变量，这样结果的可用性更强。

第一轮优化对所有11个零件的厚度进行优化。因为工程上的种种原因，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。

第二轮优化是零件7的厚度增加到2.0mm后，对除了有更改限制外的其余7个零件进行厚度优化。

优化的结果见表2．



图7 仪表板骨架



表2 厚度优化结果

第一轮优化结果是：质量减少 341g，刚度提高 2.4%。

第二轮优化结果是：质量减小 288g，刚度提高 0.1%。

4 结论

(1) 通过对局部重要结构进行拓扑优化和形状优化，可以寻求到一个质量小，性能高的结构型式；

(2) 通过对安装点的刚度进行尺寸优化，可以知道哪个位置哪个方向的安装刚度比较重要，提高什么位置的安装刚度对性能提高有利；

(3)在设计后期，整个系统的构架已经完成，每个零件的形状以及与周边零件的连接都已经确定，这时可通过对子系统各个零件的厚度进行优化设计，在不降低性能的基础上，进一步减重，达到降低成本的目的。