趙新民 白海濤 常曉峰 靳永軍

(海馬汽車有限公司，鄭州 450000)

0 引言

輕量化技術(shù)是降低排放，提升汽車燃油經(jīng)濟(jì)型的有效途徑。儀表板管梁(CCB)的輕量化，國內(nèi)外研究及工程應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是通過使用密度小、性能優(yōu)的新型材料替代鋼制管梁達(dá)到減重效果；二是通過有限元分析，在保證性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，完成管梁的輕量化工作。

在新材料應(yīng)用方面，2005年，Naiyi Li使用有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了鎂鋁合金儀表板管梁可使原重12 kg的CCB減重50%[1]。2011年同濟(jì)大學(xué)高云凱等人通過模態(tài)和碰撞分析，證明擠壓成型的鎂鋁合金可以滿足相應(yīng)的性能要求[2]。雖然鎂鋁等輕金屬在儀表板管梁減重方面有較大優(yōu)勢(shì)，但因?qū)е虏牧铣杀咎嵘?，加工工藝不成熟等問題而難以推廣。鋼制儀表板管梁仍是各主機(jī)廠設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的主流[3]。鋼制管梁的輕量化研究主要通過計(jì)算各構(gòu)件的模態(tài)因子(質(zhì)量—模態(tài)因子，厚度—模態(tài)因子，結(jié)構(gòu)—模態(tài)因子)，定量比較需優(yōu)化的具體目標(biāo)[4]。2014年，宣海軍等人以儀表板管梁的一階模態(tài)為約束，通過靈敏度分析，對(duì)各支架板厚進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使管梁模態(tài)達(dá)標(biāo)的情況下實(shí)現(xiàn)了輕量化的目的[5]。

本文利用有限元軟件，通過靈敏度分析對(duì)儀表板管梁關(guān)鍵鈑金件的靈敏度予以識(shí)別，對(duì)儀表板管梁主管的管徑和壁厚并進(jìn)行匹配分析，對(duì)儀表板管梁進(jìn)行減重，輕量化效果顯著。同時(shí)，經(jīng)過模態(tài)分析，振動(dòng)傳遞函數(shù)分析和試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了分析方法的可行性。

1 儀表板管梁結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)

1.1 儀表板管梁結(jié)構(gòu)

圖1為某乘用車儀表板管梁骨架示意圖。該管梁通過9個(gè)固定點(diǎn)與車身相連，通過4個(gè)固定點(diǎn)與轉(zhuǎn)向管柱相連。方向盤作為該系統(tǒng)的重要部件，其一階垂/橫擺模態(tài)及對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度是考核儀表板管梁NVH性能的重要因素。

圖1 某乘用車儀表板管梁示意圖

1.2 離散方式和邊界條件

使用Hypermesh軟件進(jìn)行離散，其中板件采用Shell單元，單元基準(zhǔn)長度為8 mm；鑄件采用Solid單元，單元基準(zhǔn)長度為2 mm；焊點(diǎn)采用Acm單元模擬，螺栓采用Rbe2單元模擬；單元總數(shù)為1,827,100個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1,353,079個(gè)，質(zhì)量367.1 kg；計(jì)算的邊界條件如下：

表1 計(jì)算的邊界條件

1.3 性能指標(biāo)

使用Nastran軟件，對(duì)管梁+管柱+BIP進(jìn)行分析計(jì)算，得到初始狀態(tài)下方向盤一階垂擺模態(tài)頻率(40.05 Hz)和一階橫擺模態(tài)頻率(43.37 Hz)對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型如下圖所示：

2 儀表板管梁優(yōu)化分析

2.1 模態(tài)靈敏度分析

為確定輕量化方向，首先需對(duì)管梁及管梁和車身連接件進(jìn)行模態(tài)靈敏度分析，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行識(shí)別。經(jīng)過模態(tài)靈敏度分析，可以將鈑金件分為高靈敏度板件，低靈敏度板件和負(fù)靈敏度板件。通過提升高靈敏度板件剛度，降低負(fù)/低靈敏度板件剛度，達(dá)到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能不變的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。

因當(dāng)前使用的管梁主管為單一厚度、直徑的通管，為分析管梁局部結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)的影響，現(xiàn)將管梁主管均分為等長的7段進(jìn)行分析。經(jīng)過識(shí)別，21組影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的鈑金件如圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一階垂擺(上)和一階橫擺(下)模態(tài)振型

圖3 靈敏度分析的鈑金件分組

以初始摸底計(jì)算的一階垂/橫擺模態(tài)頻率為目標(biāo)值，分別進(jìn)行靈敏度分析，可以得到21組鈑金件的模態(tài)靈敏度和質(zhì)量靈敏度。分析和匯總結(jié)果如圖4所示。

圖4 靈敏度及具體分割位置分析

其中，靈敏度比=模態(tài)靈敏度/質(zhì)量靈敏度，表示每增加1 kg質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)頻率的影響。

模態(tài)靈敏度分析結(jié)果可以看出，管梁主管的1段～4段及中通道連接支架13號(hào)～14號(hào)板是一階垂/橫擺的改善方向；8號(hào)～12號(hào)板和20號(hào)板一階垂擺的改善方向；前圍連接支架17號(hào)板是一階橫擺的改善方向，這些鈑金件是性能提升的方向。

管梁主管的5段～8段對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一階垂/橫擺的模態(tài)頻率影響較小，是輕量化的方向。

初步考慮對(duì)管梁主管進(jìn)行分割，以減弱主管右側(cè)剛度。為得到更準(zhǔn)確的主管分割位置，主管4號(hào)段對(duì)方向盤模態(tài)的影響應(yīng)做進(jìn)一步分析。將4號(hào)鈑金再均分為8段，間隔25 mm，計(jì)算各工況下方向盤的模態(tài)。如圖4所示，可以確定管梁分割位置為4號(hào)鈑金的2號(hào)點(diǎn)位置，即最優(yōu)位置(距離管梁左端640 mm)。因此，對(duì)主管在2號(hào)點(diǎn)位置進(jìn)行分割，采用左強(qiáng)右弱的方案。

2.2 主管管徑及壁厚分析

為了分析2號(hào)點(diǎn)右側(cè)主管對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的影響，對(duì)該部分管道進(jìn)行變管徑和變厚度分析，分析結(jié)果如圖5所示。其中，原狀態(tài)下儀表板管梁主管的基本參數(shù)為：中徑52 mm，壁厚2 mm。

圖5 管徑和壁厚對(duì)模態(tài)頻率的分析

由隨管梁壁厚增加，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要模態(tài)呈線性提升，至1.9 mm之后，一階橫擺逐漸趨于平緩。隨管徑增加，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要模態(tài)均線性提升。說明，大管徑管梁有助于模態(tài)提升。

2.3 優(yōu)化方案及結(jié)果

為保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能，對(duì)管徑和壁厚進(jìn)行綜合匹配分析，尋求最優(yōu)解。同時(shí)綜合工程應(yīng)用和成本考慮，管梁主管方案如表2所示。

表2 優(yōu)化方案

結(jié)合優(yōu)化方案，表3給出了減重前后方向盤的一階垂/橫擺模態(tài)頻率的對(duì)比情況。結(jié)果表明，優(yōu)化后的方向盤性能和原狀態(tài)保持一致。初步說明了優(yōu)化方法的可行性。

表3 仿真分析結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)果驗(yàn)證及討論

3.1 測(cè)試試驗(yàn)

為驗(yàn)證有限元方法的工程化效果，根據(jù)優(yōu)化方案制作儀表板管梁樣件并進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。下圖為原狀態(tài)管梁和優(yōu)化狀態(tài)管梁的對(duì)比情況。

試驗(yàn)采用與仿真分析相同的約束方法，測(cè)試結(jié)果如表4所示：

表4 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化方案方向盤垂擺模態(tài)上升0.95 Hz，橫擺模態(tài)下降0.45 Hz，測(cè)試和仿真分析結(jié)果較為接近，且誤差在合理范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性和優(yōu)化方案的合理性。

3.2 VTF分析

模態(tài)計(jì)算和測(cè)試結(jié)果表明管梁在優(yōu)化前后模態(tài)頻率變化不大，為了進(jìn)一步分析管梁結(jié)構(gòu)的改變可能會(huì)對(duì)傳遞路徑造成的影響，需驗(yàn)證各接附點(diǎn)到方向盤的振動(dòng)傳遞函數(shù)(VTF)。分別在30個(gè)接附點(diǎn)施加1 N的掃頻激勵(lì)，輸出接附點(diǎn)到方向盤的振動(dòng)傳遞函數(shù)，響應(yīng)大小以加速度表示。圖7是以左懸置為例對(duì)比優(yōu)化前后方向盤的振動(dòng)量大小。

圖6 原狀態(tài)與優(yōu)化狀態(tài)管梁對(duì)比

對(duì)比結(jié)果表明，優(yōu)化前后方向盤峰值頻率下的傳遞函數(shù)重合，表明管梁優(yōu)化之后的傳遞函數(shù)并未發(fā)生變化，方向盤的加速度在目標(biāo)范圍內(nèi)。其他29個(gè)接附點(diǎn)表現(xiàn)出同樣的結(jié)果。該結(jié)論驗(yàn)證了輕量化方法的可行性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文根據(jù)儀表板管梁的結(jié)構(gòu)特征和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)性能要求，基于靈敏度分析，對(duì)儀表板管梁關(guān)鍵鈑金件的靈敏度予以識(shí)別，通過優(yōu)化管梁主管的管徑和壁厚并進(jìn)行匹配研究，對(duì)儀表板管梁進(jìn)行減重，輕量化效果顯著(質(zhì)量減輕6.7%)。同時(shí)，經(jīng)過模態(tài)分析，振動(dòng)傳遞函數(shù)分析和試驗(yàn)測(cè)試，確定了分析方法的可行性，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性，其優(yōu)化思路也可為其他系統(tǒng)的輕量化和性能提升工作提供參考。