汽车仪表板的设计及分析 刘春龙

发表时间:2019/9/18   来源:《防护工程》2019年11期   作者:刘春龙 武文
[导读] 仪表板作为汽车的集成操控中心,是最重要的汽车内饰件之一。
长城汽车股份有限公司技术中心  河北保定  072550
        摘要:仪表板作为汽车的集成操控中心,是最重要的汽车内饰件之一。在保证基本功能性要求的前提下,还需要满足相应的法规和性能要求。在HyperMesh平台下建立仪表板的有限元模型,以自由状态下的模态试验验证模型可靠性,对A25仪表板进行约束状态下的模态分析和2倍重力加速度下的刚度分析。基于以上分析结果,以模态性能和刚度性能为约束函数,以仪表板总成质量最小为优化目标对其进行轻量化设计,并对优化后的仪表板进行刚度验证,结果表明优化后的仪表板在性能方面满足要求,达到轻量化的效果。
        关键词:A25仪表板;模态试验;模态分析;刚强度分析;轻量化设计
       
       
前言
        随着人们对汽车内饰要求的不断提高,以及对操控人性化的要求提升,其中汽车仪表板作为汽车内饰和操控按键的主要结合区域,更是根据用户的习惯和喜好进行针对性的制作设计,从而更好的提高用户的购买欲望。
        1设计的主要特点
        在仪表板设计的过程中主要分为德系、美系和日韩系,就是说不同系列的汽车仪表板,采取的设计理念是不同的,主要是根据人们的驾驶习惯和车辆的操控系统。在仪表板的主驾驶区域内主要设计有方向盘的转向柱、汽车的组合灯光、汽车雨刮器、汽车的喇叭等等,现代很多高档的车辆逐渐的将娱乐按键和一些车辆控制系统,都装置到了方向盘中,因为这样就会避免人们去操控其他系统时,驾驶员视线的转移。比如说收音机、音乐播放键、视频的播放键、汽车的车载电脑系统、汽车的音量大小、汽车的蓝牙电话、汽车的空调系统等等,充分的说明仪表板的设计,是逐渐升级的,并且越来越人性化和合理化。而有的汽车为了增加汽车内饰的豪华性,不仅汽车的方向盘设计了很多的系统按键,并且在主仪表板的区域,也就是驾驶员的右手边布满了不同按键和旋钮的操控,比如说保时捷公司生产的保时捷卡宴,就是上文中叙述的一样,当然每一个按键都是具有自己独特的功能,没有重复的功能键,可以说汽车的仪表板设计的更加的人性化和科学性。
        2模型建立及验证
        2.1有限元模型建立
        作为结构相对复杂的薄壁型塑料件,仪表板总成由本体、仪表、仪表面罩板、空调管道、音响设备、仪表板骨架等组成,这些部件通过不同的连接方式安装在仪表板上。采用分别建模,并根据实际连接方式整体装配成完整模型的方法实现对仪表板总成的有限元建模。为了兼顾计算精度和计算效率,模型由尺寸小于(8×8)mm多边形的2D壳单元组成,网格数量146372。
        2.2试验验证
        模态试验技术是解决工程振动问题的常用方法之一,其通过模态分析软件将采集到的系统输入和输出信号经过参数识别获得模态参数,最终得到结构相应的模态频率和振型。因为自由状态下结构的振动特性更容易体现,通过自由模态试验与仿真结果相对照的方式验证有限元模型的可靠性。采用自由悬挂的方式进行模态试验,确定结构的悬挂位置、激励位置以及测试位置很有必要。悬挂位置一般选择在振幅较小处或振幅为0的节点处,这些位置通常比较稳定;为保证整个系统可辨识性,激励位置一般要远离节点或节线。测试点一般选取在振幅较大的位置已获的尽可能高的信噪比。由力锤锤头上的力传感器提供激励信号,由通过石蜡粘贴在仪表板上的加速度传感器采集响应信号。

通过敲击仪表板产生信号,将采集到的信号输入到采集系统中进行分析,最后通过计算机处理并查看相关结果。
        3有限元分析
        3.1约束模态分析
        汽车在正常行驶过程中受到发动机和路面的双重激励,各部件都处在振动状态下。在评价仪表板时,必须要考虑其振动特性,从而避免在行驶过程中与车身或其他部件产生共振现象。建立仪表板约束模态试验平台,得到前5阶模态频率大小及振型描述,装配该仪表板的乘用车其发动机为四缸汽油机,怠速工况下发动机的激振频率约为23Hz。
        3.2刚度分析
        仪表板必须具有足够的刚性以保证其附属零件正常运作。这就要求在乘客手部和膝部易触碰到的部位施加一定的压力载荷时,零件不能产生较大的位移甚至损坏。仪表板系统的刚性一般是通过仪表板横梁骨架的结构刚度来表征的。汽车在通过障碍物时,会有一个陡然出现的重力加速度,这个加速度的范围一般是在(1~3)g之间,取中间值2g,通过模拟这个状态下的仪表板以及仪表板骨架来检验其刚度性能,其位移应小于2mm。在模态分析有限元模型的基础上,添加GRAV重力卡片,设置2g重力加速度,G取9810mm/s2,系数为-2,方向沿着负Z方向。由分析可得,2g重力加速度下仪表板总成最大位移出现在膝部护垫处,为0.85mm,仪表板骨架最大位移0.18mm,出现在手套箱支架处;最大应力出现仪表板骨架螺栓单元连接周围,为45.3MPa,远小于低碳合金钢板的弹性极限210MPa。由结果可以看出,仪表板刚度性能良好,且具有较大的轻量化空间。
        4仪表板轻量化设计
        轻量化设计即对仪表板进行优化分析。优化分析就是把数学方法与力学分析结合起来,以计算机为载体,建立一套科学、系统、可靠而又高效的方法或软件,通过改变产品的某些属性,让产品在满足一些约束条件的前提下,使得产品的某种性能更优。随着有限元软件的日益广泛,优化分析由最初的消极校验变为如今的主动改善,缩短了产品的设计周期,提高了产品的质量水平。
        4.1灵敏度分析优化
        分析中有很多设计变量,如果考虑每一个变量,那会是一个庞大的计算量。所以在优化分析时,通常要对设计变量进行灵敏度分析。通过灵敏度分析可以求出目标函数相对于设计变量的导数,从而确定各个设计变量对目标函数的敏感程度,避免在选择设计变量时的盲目性,减小了优化分析的工作量,提高效率并降低了成本。通过静态灵敏度分析,推导了节点位移和结构动态固有频率对于厚度参数的灵敏度计算公式。通过灵敏度分析结果可以看出设计变量的改变对目标响应影响的程度,从而为进一步的优化设计提供依据。仪表板的刚度属性都是节点位移的简单函数,所以利用节点位移对设计变量的灵敏度公式可以推导出刚度对壳单元厚度属性的灵敏度。
        4.2优化模型建立分析
        4.2.1设计变量
        根据灵敏度分析的结果,选取七个部件的厚度作为设计变量,设计变量的上下限为初始板厚的±50%。
        4.2.2目标函数
        本次优化的最终目的是使仪表板在达到性能标准的情况下质量最轻,从而降低整车质量,因此,目标函数为仪表板总成质量,优化目标是使仪表板总成的总质量最小。
        4.2.3约束函数
        约束函数即为仪表板总成的性能要求,本次优化设计的约束函数为:仪表板总成一阶约束模态叟23Hz;在2g重力加速度下仪表板总成最大位移燮2mm。
        4.3优化模型刚度验证
        用“硬币加载法”对优化后的仪表板总成进行刚度检验,使用带有直径20mm接触面的测力计对仪表板的不同区域进行测试,力的大小为20N。将仪表板划分为三个区域,A区定义为高频接触区,如中控面板区域、空调出风口区域;B区定义为中频接触区,如储物盒门外板、驾驶侧下挡板等;C区定义为低频接触区,如靠近风挡的水平区域。在每个区域内取(2~3)个点进行加载,要求A、B、C三个区域的位移分别小于1mm、2mm和3mm。区域划分与取点,发现取自三个区域的八个点的刚度性能均达标,仪表板刚度性能良好。
        5结论
        在今后的汽车仪表板制作和设计的过程中不仅需要不断的提高制作的工艺水平,并且还需要根据用户需求和艺术审美的提高,从而提升汽车仪表板的设计方案了,从而使得新型的仪表板更加受到人们的欢迎。
       
        参考文献:
        [1]马志晓.汽车仪表板的制造技术与设计[J].电子技术与软件工程,2017,22:250-251.
       
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