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        基于有限元技術(shù)的儀表板綜合特性評估及結(jié)構(gòu)輕量化

        2021-08-23 05:20:24黃海彬
        工程塑料應(yīng)用 2021年8期
        關(guān)鍵詞:陣型儀表板擋板

        黃海彬

        (南昌航空大學(xué)科技學(xué)院,南昌 330034)

        儀表板是汽車內(nèi)飾中比較重要、工藝復(fù)雜的部件,各種儀表、電子設(shè)備和控制開關(guān)等均安裝在其總成上,主要通過儀表板橫梁安裝于駕駛室內(nèi)部前端,在高接觸和高可見位置,直接影響駕乘人員的視覺感受。當(dāng)車輛行駛時,車身會受到動載荷的作用而引起儀表板振動,當(dāng)動載荷頻率與儀表板固有頻率接近時,則會產(chǎn)生共振,從而影響車輛的舒適性。與此同時,儀表板需具備良好的剛、強(qiáng)度特性,以保證其在靜、動載荷作用下能夠抵抗一定的沖擊,因此汽車儀表板的綜合特性顯得尤為重要。

        目前眾多學(xué)者通常只針對儀表板的某一項(xiàng)或兩項(xiàng)特性進(jìn)行分析,王協(xié)庭[1]采用有限元技術(shù)對某儀表板的剛度性能和模態(tài)性能進(jìn)行仿真分析,并對其進(jìn)行評估。查勇崗等[2]基于尺寸和形狀優(yōu)化方法對某儀表板橫梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化之后其質(zhì)量減輕了19.3%。黃偉[3]通過對某儀表板進(jìn)行網(wǎng)格離散化處理,再進(jìn)行模態(tài)分析和頻率響應(yīng)強(qiáng)度分析,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后儀表板模態(tài)頻率增大,同時其強(qiáng)度應(yīng)力值減小。馬其華等[4]對某儀表板進(jìn)行了振動特性分析和剛度特性分析,并且基于靈敏度和優(yōu)化方法對其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)了減重12%的目標(biāo)。N. A. Haniffah等[5]采用有限元方法對某儀表板進(jìn)行強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提升了其安全系數(shù)。Li Chao等[6]基于拓?fù)?、尺寸和形狀?yōu)化等方法對某汽車儀表板橫梁進(jìn)行優(yōu)化,最后達(dá)到了減重40%的目標(biāo)。

        目前針對汽車儀表板的性能分析通常很少兼顧其各項(xiàng)靜、動態(tài)特性。為了綜合考慮儀表板各項(xiàng)性能,筆者首先基于有限元方法建立儀表板總成網(wǎng)格模型,并進(jìn)行模態(tài)特性仿真分析,獲取其固有頻率及陣型;然后基于3倍重力加速度對其進(jìn)行振動強(qiáng)度特性仿真分析,獲取其應(yīng)力水平,該方法能夠真實(shí)地反映儀表板使用工況;再基于額定載荷對其進(jìn)行抗凹特性分析,獲取儀表板各個區(qū)域的變形值,由此獲取了儀表板的模態(tài)特性、振動強(qiáng)度特性和抗凹特性,能夠綜合評估儀表板的各項(xiàng)特性。第二代非劣排序遺傳算法具有搜索能力強(qiáng)、計(jì)算效率高等特點(diǎn),因此最后筆者基于該算法對儀表板進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì),以獲得綜合性能與輕量化效果均為優(yōu)異的汽車儀表板。

        1 儀表板模態(tài)特性評估

        1.1 振動基礎(chǔ)理論

        結(jié)構(gòu)的運(yùn)動均由自由振動的模態(tài)組成,模態(tài)分析的基本原理是將結(jié)構(gòu)簡化成若干個自由度同時沒有外部激勵的模態(tài)矢量方程,結(jié)構(gòu)阻尼對模態(tài)特性影響比較小,因此結(jié)構(gòu)的無阻尼振動方程為[7–8]:

        式中:[M]——質(zhì)量矩陣;

        [K]——剛度矩陣;

        {ü}——加速度向量;

        {u}——位移向量。

        式(1)的解為:

        式中:x——結(jié)構(gòu)的縱向;

        y——結(jié)構(gòu)的橫向;

        z——結(jié)構(gòu)的垂向;

        t——時間;

        H(x,y,z)——結(jié)構(gòu)位移矢量的幅值;

        ωn——結(jié)構(gòu)角頻率。

        由此得到:

        式(3)中,k為阻尼,式(3)存在非零解,由此得到[K–kn

        2M]=0。

        式中:λi——結(jié)構(gòu)的第i個特征值;

        Hi——結(jié)構(gòu)的第i個特征矢量。

        通過式(4)即可獲取結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性。

        1.2 儀表板離散化模型

        某車型儀表板為相對比較復(fù)雜的注塑部件,其主要材料為聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料共混物,質(zhì)量共計(jì)為19.8 kg。為了確保儀表板分析的精確度,有限元網(wǎng)格模型必須真實(shí)地表征其幾何特性和力學(xué)傳遞關(guān)系,并且應(yīng)當(dāng)盡量減小求解時間,提升計(jì)算效率。采用Catia軟件創(chuàng)建該儀表板數(shù)字模型,同時加載至Hypermesh軟件[9–10],再抽取其中性面,并進(jìn)行表面清理,比如補(bǔ)齊缺失面、刪除小圓孔和小倒角等。在有限元網(wǎng)格離散化過程中,雖然三角形單元比較靈活,但是精確度不高,而四邊形單元能夠保證準(zhǔn)確性。因此為了兼顧分析的準(zhǔn)確性和計(jì)算經(jīng)濟(jì)性,基于5 mm×5 mm均勻的四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格離散化,復(fù)雜和過渡區(qū)域允許產(chǎn)生小部分三角形單元。儀表板的各個零部件之間的螺釘和卡扣連接均采用剛性單元代替,其材料均設(shè)置為線性彈性屬性,以此建立儀表板網(wǎng)格模型,如圖1所示,圖1中T1~T9代表儀表板主要部位的厚度值,其中T1為前擋板厚度值,T2為頂部擋板厚度值,T3為中間擋板厚度值,T4為左側(cè)擋板厚度值,T5為手套箱厚度值,T6為右側(cè)擋板厚度值,T7為中央控制器擋板厚度值,T8為右膝擋板厚度值,T9為左膝擋板厚度值;P1~P12為儀表板上強(qiáng)度相對較低的位置,其中P1為前擋板右點(diǎn),P2為頂部擋板右點(diǎn),P3為頂部擋板中間點(diǎn),P4為頂部擋板左點(diǎn),P5為右側(cè)擋板右點(diǎn),P6為右側(cè)擋板左點(diǎn),P7為中間擋板中點(diǎn),P8為左側(cè)擋板中點(diǎn),P9為手套箱中點(diǎn),P10為右膝擋板右點(diǎn),P11為左膝擋板左點(diǎn),P12右膝擋板中點(diǎn)。

        圖1 儀表板網(wǎng)格模型

        1.3 模態(tài)特性結(jié)果

        儀表板分別通過螺釘、定位銷和螺栓與車身、地板連接,因此基于儀表板網(wǎng)格模型,采用Nastran軟件[11–12]約束相應(yīng)螺釘和螺栓連接的全部自由度,約束相應(yīng)定位銷的三向平動自由度,基于EIGRL卡片設(shè)置其頻率提取范圍為1~60 Hz (低階頻率對其模態(tài)特性影響比較大),獲取該乘用車儀表板的前三階模態(tài)頻率分別為38.4,45.2 Hz和58.6 Hz,其對應(yīng)的陣型分別如圖2~圖4所示。由圖2可知,儀表板的第一階陣型表征為整體彎曲,其最大振動量相對比值為34.53 mm,陣型比較平滑。由圖3可知,儀表板的第二階陣型表征為手套箱凸起,其最大振動量相對比值為53.1 mm,陣型也比較平滑。由圖4可知,儀表板的第三階陣型表征為膝部擋板扭動,其最大振動量相對比值為81.96 mm,陣型未發(fā)生畸變。

        圖2 儀表板第一階陣型

        圖3 儀表板第二階陣型

        圖4 儀表板第三階陣型

        儀表板在汽車行駛過程中,主要承受發(fā)動機(jī)和路面的激勵作用。路面激勵頻率范圍處于10~20 Hz,發(fā)動機(jī)怠速為800 r/min,基于理論公式得到發(fā)動機(jī)的共振頻率為30 Hz。設(shè)定儀表板的模態(tài)特性的安全系數(shù)為1.2 (要求頻率大于36 Hz),因此該儀表板的固有頻率均超過了發(fā)動機(jī)和路面的激勵頻率,不會發(fā)生耦合共振風(fēng)險,能夠最大限度地避免產(chǎn)生異響和振動,滿足模態(tài)特性設(shè)計(jì)要求。

        2 儀表板振動強(qiáng)度特性評估

        儀表板需要承受來自各種復(fù)雜路面的振動激勵,因此其必須具備足夠的強(qiáng)度以避免發(fā)生開裂失效。車輛在惡劣路況時,儀表板將承受3倍的重力加速度,該動態(tài)強(qiáng)度工況相比靜態(tài)受壓工況,能夠真實(shí)地反映儀表板在車輛行駛過程的受力關(guān)系,因此基于儀表板的網(wǎng)格模型,設(shè)置與模態(tài)特性分析相同的約束條件,采用GRAV卡片定義3倍的–Z方向重力加速度,輸出應(yīng)力和位移,以此對其進(jìn)行振動強(qiáng)度特性仿真分析,獲取該儀表板在振動狀態(tài)的應(yīng)力分布情況。圖5為儀表板變形云圖。由圖5可知,儀表板的最大位移為0.6206 mm,處于儀表板的上端,小于工程要求值(2 mm),其剛度性能比較良好。圖6為儀表板在振動狀態(tài)下的應(yīng)力分布云圖。由圖6可知,儀表板的最大振動應(yīng)力為25.75 MPa,位于中控橫梁位置,低于材料閥值(50 MPa),振動強(qiáng)度安全系數(shù)為1.94,因此具有較好的振動強(qiáng)度特性和優(yōu)化空間。

        圖5 儀表板變形云圖

        圖6 儀表板振動應(yīng)力分布云圖

        3 儀表板抗凹特性評估

        由于儀表板處于高接觸區(qū)域,容易受到外界載荷的作用,因此必須具備良好的抗凹特性。約束儀表板與車身、地板連接位置的所有自由度,在儀表板外側(cè)區(qū)域選取12個如圖1所示的相對薄弱的位置P1~P12。在各個位置的垂直方向添加直徑為15 mm的剛性體,并建立局部坐標(biāo)系,只釋放垂向的平動自由度,約束其它方向的平動和轉(zhuǎn)動。在參考點(diǎn)加載大小為25 N的垂向力,剛性體與各個區(qū)域建立通用接觸對,摩擦系數(shù)為0.15,以此進(jìn)行抗凹特性仿真分析。以P3,P6,P9和P12位置為例,分析這幾個位置受壓時的變形云圖,結(jié)果分別如圖7、圖8、圖9和圖10所示。由圖7可以看出,儀表板P3位置受壓時最大變形量達(dá)到了0.6691 mm,低于目標(biāo)值(2 mm),能夠抵抗一定的變形,滿足抗凹特性要求。由圖8可以看出,儀表板P6位置受壓時最大變形量達(dá)到了0.4511 mm,小于2 mm,滿足抗凹變形要求。由圖9可以看出,儀表板P9位置受壓時最大變形量是1.052 mm,也低于2 mm,剛度性能比較良好。由圖10可以看出,儀表板P12位置受壓時最大變形量達(dá)到了2.147 mm,超過了2 mm,其抗凹特性不符合設(shè)計(jì)要求,存在一定的風(fēng)險,可能會影響儀表板的功能性。

        圖7 儀表板P3位置受壓時變形云圖

        圖8 儀表板P6位置受壓時變形云圖

        圖9 儀表板P9位置受壓時變形云圖

        圖10 儀表板P12位置受壓時變形云圖

        表1為該乘用車儀表板在各個加載位置受壓時的變形值。由表1可知,儀表板P1~P11位置在受壓時的最大位移均小于2 mm,但P12位置的變形值大于目標(biāo)值,不滿足抗凹性能要求,需要對其進(jìn)行局部優(yōu)化,以改善其抵抗變形的能力。

        表1 儀表板各個位置的變形值 mm

        4 儀表板結(jié)構(gòu)的輕量化

        4.1 優(yōu)化方法

        儀表板P12位置屬于膝部擋板處,該位置為高接觸區(qū)域,經(jīng)常受到膝部的磕碰。為了提升該區(qū)域的抗凹性能,需增加其局部的剛度,因此在擋板背面增加三條橫加強(qiáng)筋和四條豎加強(qiáng)筋,如圖11所示。

        圖11 局部增加加強(qiáng)筋

        儀表板的模態(tài)特性和振動強(qiáng)度特性良好,并且儀表板的輕量化有利于減輕車輛的質(zhì)量,能夠有效提升車輛的動力性,因此將儀表板主要部位的厚度值(圖1的T1~T9)作為設(shè)計(jì)參數(shù),采用Isight軟件導(dǎo)入儀表板網(wǎng)格模型的命令流,并且參數(shù)化其各個厚度值,并設(shè)置為輸入變量。同時加載儀表板模態(tài)特性分析、振動強(qiáng)度特性分析和抗凹特性分析的命令流,將儀表板的質(zhì)量、第一階模態(tài)頻率、最大應(yīng)力值和最大變形值均設(shè)置為輸出參數(shù),將儀表板的質(zhì)量最小定義為目標(biāo)響應(yīng),以儀表板的第一模態(tài)階頻率大于36 Hz、最大振動應(yīng)力值小于50 MPa、靜態(tài)最大變形值小于2 mm作為約束函數(shù)。

        第二代非劣排序遺傳算法[13–14]具有搜索能力強(qiáng)、計(jì)算效率高、收斂性好等優(yōu)勢。其在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)根據(jù)最佳關(guān)系將個體參照目標(biāo)值進(jìn)行相互對比,再將全部個體劃分成多個前沿層,使得其探索能力倍增,因此基于該算法對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。設(shè)置該算法的種群規(guī)模為20,最大迭代次數(shù)為200,交叉的概率為0.9,交叉分布指數(shù)為10。

        4.2 輕量化結(jié)果

        通過系統(tǒng)多輪優(yōu)化分析,最終得到儀表板主要部位厚度的最佳參數(shù)見表2。由表2可知,儀表板主要部件的厚度值較優(yōu)化之前均有所減薄,并且結(jié)構(gòu)輕量化后儀表板的質(zhì)量達(dá)到了16.9 kg,較優(yōu)化之前降低了14.6%,輕量化效果比較理想,能夠有效減輕儀表板總成的質(zhì)量,以此提升車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

        表2 結(jié)構(gòu)輕量化前后的不同部位的厚度值 mm

        圖12為結(jié)構(gòu)輕量化后儀表板P12位置受壓時的變形云圖。由圖12可知,結(jié)構(gòu)輕量化后其受壓時的最大變形量達(dá)到了1.894 mm,低于工程目標(biāo)值,符合抗凹特性標(biāo)準(zhǔn)。

        圖12 結(jié)構(gòu)輕量化后儀表板P12位置受壓變形云圖

        圖13為結(jié)構(gòu)輕量化后儀表板第一階陣型。由圖13可知,結(jié)構(gòu)輕量化后的第一階陣型仍然為整體彎曲,其最大相對振幅值達(dá)到了28.25 mm,并且其第一階模態(tài)頻率為36.7 Hz,仍然處于發(fā)動機(jī)和復(fù)雜路面的激勵范圍之外,符合振動特性要求。

        圖13 結(jié)構(gòu)輕量化后儀表板第一階陣型

        圖14為結(jié)構(gòu)輕量化后儀表板振動應(yīng)力分布云圖。由圖14可知,結(jié)構(gòu)輕量化后最大振動應(yīng)力達(dá)到了30.43 MPa,其振動強(qiáng)度安全系數(shù)達(dá)到了1.64,因此強(qiáng)度性能比較優(yōu)良,能夠避免后期發(fā)生開裂,符合客戶使用要求。

        圖14 結(jié)構(gòu)輕量化后儀表板振動應(yīng)力分布云圖

        5 結(jié)論

        (1)基于有限元方法并采用Hypermesh軟件構(gòu)建儀表板離散化模型,根據(jù)實(shí)際裝配情況約束各個自由度,對其進(jìn)行模態(tài)特性仿真分析,獲取其前三階模態(tài)頻率分別是38.4,45.2 Hz和58.6 Hz,不會與發(fā)動機(jī)和路面激勵重合,滿足動態(tài)屬性要求。

        (2)基于3倍重力加速度對儀表板進(jìn)行動態(tài)強(qiáng)度特性仿真分析,得到其最大振動應(yīng)力值為25.75 MPa,具有較高的振動安全系數(shù),最大變形為0.6206 mm,能夠抵抗一定的變形能力,符合強(qiáng)度特性要求。

        (3)在儀表板外側(cè)選取12個相對比較薄弱位置,在其垂向加載相應(yīng)的載荷,獲取其最大位移量為2.147 mm,超過了目標(biāo)要求值,不符合抗凹特性要求。

        (4)基于模態(tài)特性、強(qiáng)度特性和抗凹特性分析結(jié)果,采用第二代非劣排序遺傳算法對儀表板主要部位的厚度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,最終獲取了其最佳結(jié)構(gòu),優(yōu)化之后其綜合特性滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),同時儀表板的質(zhì)量減輕了14.6%,達(dá)到了輕量化的效果。

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