諶彬文

基于ABAQUS的某SUV副儀表板對開扶手設計要求及性能仿真分析

諶彬文

（江鈴汽車股份有限公司 產(chǎn)品研發(fā)總院，江西 南昌 330001）

文章介紹了兩種不同開啟方式的扶手總成，并重點闡明了雙開扶手總成在設計開發(fā)過程中的設計要求及其注意事項；同時利用有限元分析方法，對雙開扶手總成的計算機輔助工程（CAE）分析方法進行介紹，評估某汽車副儀表板雙開扶手在關閉及打開時的剛度、強度是否符合工程設計要求。首先通過HyperMesh對汽車副儀表板進行3D網(wǎng)格劃分，并根據(jù)本公司的規(guī)范要求施加約束及荷載，然后將分析文件導入到ABAQUS分析軟件中進行求解，分析雙開扶手總成分別在四種工況下的位移云圖及應力云圖。分析結果表明，扶手的設計符合要求，為后續(xù)的雙開扶手總成設計開發(fā)及其CAE分析及合格判斷依據(jù)提供參考經(jīng)驗。

副儀表板；雙開扶手；剛度；強度；有限元分析；ABAQUS

隨著汽車的不斷普及，消費者對汽車外觀及性能的要求越來越高，這使得汽車的設計者需要通過不斷優(yōu)化汽車的各種造型來提高汽車品質，來迎合消費者的需求[1]。汽車內飾空間是承載用戶駕駛任務和各種交互操作的空間[2]，并與消費者日常用車息息相關，新穎化的設計能極大地提升消費者對品牌的好感度[3-5]。而汽車扶手總成又是汽車內飾中副儀表板的組成部分，其設計初衷是提供儲物功能，使汽車駕駛員在長時間駕駛時能夠放置手臂，從而使駕駛更舒適。常用的扶手總成只有單個扶手，通過前后滑動打開扶手或者繞著扶手后端的轉軸旋轉開啟扶手。而隨著奔馳等豪華品牌車型開始使用對開手枕的設計，由于其新穎的設計，大氣的外觀，受到消費者的喜愛，國內各大主機廠開始紛紛效仿。

本文介紹了國內市場上常見的兩種開啟方式的扶手總成，并且重點對雙開扶手總成及其設計注意事項進行了詳細說明。最后以HyperMesh和ABAQUS軟件為平臺，對某運動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV）車型雙開扶手總成在關閉及打開兩種狀態(tài)下其剛度，強度進行分析，利用有限元分析軟件，分析判斷雙開扶手總成在設計工況下結構設計的合理性，為后續(xù)車型雙開扶手設計提供設計參考。

1 扶手總成概述

1.1 扶手總成分類

扶手總成主要由包覆表皮、發(fā)泡層、扶手外板、扶手內板、扶手鉸鏈、軸及扭簧等組成，扶手內、外板可通過卡接或者焊接兩種方式連接，最后通過緊固件與扶手箱斗及左右兩側邊板連接組成副儀表板總成。按照開啟方式的不同，扶手總成可分為前后開啟及左右開啟即對開式兩種形式，如圖1和圖2所示。前后開啟扶手總成結構成熟簡單，成本較低，但是檔次不高，一般用于中低端車型上；左右開啟扶手總成結構新穎，用戶感知度高，但是成本也相對較高，且左右半扶手的間隙面差及左右半扶手開啟同步性難以保證，后期需要花費較多精力去整改調整，一般用于中高端車型上。

圖1 前后開啟扶手總成

圖2 左右開啟扶手總成

1.2 對開扶手的設計要求

1.2.1對開扶手的功能性要求

要求對開扶手的開啟力大于6.5 N而小于 12 N，以便顧客有較好的操作手感，同時扶手開啟時間定義在0.65 s～1.25 s之間，且左右半扶手開啟時間間隔小于0.2 s。

1.2.2對開扶手的精致工藝要求

左、右半扶手間隙定義為（1.5±0.5）mm，平行度要求0.5 mm，左、右半扶手面差定義為（0± 0.5）mm，以保證雙開扶手總成具有良好的精致工藝，如圖3所示。

在保證扶手可以正常開啟情況下，盡可能將扶手總成與側板的間隙做小，使扶手總成滿足精致工藝要求。此間隙值一般定義為（4±0.5）mm，如圖4所示。

圖3 左右半扶手間隙面差要求

圖4 左半扶手與側板間隙面差要求

1.2.3扶手內外板的配合要求

由于扶手轉軸、扭簧及阻尼都是安裝在扶手內外板上，因此，內外板相互之間的配合非常重要。一般雙開扶手內、外板之間采用焊接精度高的熱板焊焊接工藝。設計時焊接筋厚度一般為 1 mm，高度為11 mm～13 mm，干涉量為3 mm，布置間隙一般在10 mm～15 mm之間，且焊接筋做成S型，加大焊接面積，同時需要注意設置氣孔逃逸路徑避免焊接時的外觀缺陷。內外板需要通過焊接工裝進行焊接，如圖5所示。其工作原理為上模用吸盤固定內板，下模用兩個壓塊壓住外板，內、外板對準焊接時壓塊松開，內外板能夠自適應對準，以保證焊接精度。內、外板設計過程中前后需放置主副定位（如圖6中1、2處所示），主定位處內、外板的定位間隙單邊設計為 0.05 mm，保證定位準確；副定位向放開到單邊0.2 mm，以保證內、外板較容易裝配。對于內板上裝配阻尼的結構，在保證零件表面外觀的情況下盡可能做強（如圖6中3處所示），防止焊接時阻尼跳動從而導致手枕不同步。

圖5 熱板焊焊接工裝

圖6 左半扶手總成

1.2.4扶手總成人機要求

為了保證扶手在打開過程中不與座椅干涉及座椅在滑動過程中不與扶手干涉，扶手總成需滿足扶手總成與座椅靠背的包絡間隙不小于12 mm以及扶手總成與座椅坐墊的包絡間隙不小于15 mm的要求。

2 有限元模型建立

為了驗證雙開扶手總成設計的合理性，需要通過有限元方法驗證雙開扶手在使用過程中分別在關閉、開啟兩種狀態(tài)下的剛度、強度是否符合設計要求。本文采用通用的前處理軟件HyperMesh對某SUV整個副儀表板模型進行網(wǎng)格劃分，以求盡可能真實模擬雙開扶手總成的實際使用工況。模型主要材料基本信息如表1所示。在有限元建模中采用tetramesh面板中volume tetra命令進行3D網(wǎng)格劃分，模型中網(wǎng)格多數(shù)為六面體單元，單元尺寸為4 mm，即可保證仿真分析的剛度，又可使分析計算的時間不至于過長。使用HyperMesh軟件Analysis面板中constraint工具施加副儀表板約束條件，將副儀表板中所有與主儀表板及車身中央通道的連接點的六個自由度都進行約束，有限元模型如圖7所示。

表1 有限元模型信息

圖7 有限元模型

3 有限元仿真分析

3.1 雙開扶手關閉狀態(tài)時

3.1.1剛度分析

由于雙開扶手總成左右對稱，所以以下有限元分析都以左半扶手總成作為分析對象。

工況1：在左半扶手總成中間用直徑50 mm的圓盤施加50 N的向力，計算扶手的變形量，變形量不允許超過3.5 mm。如圖8所示，雙開扶手在工況1的情況下其變形量為1.27 mm，滿足工程設計規(guī)范要求。

3.1.2強度分析

工況2：在左半扶手總成中間用直徑85 mm的圓盤施加750 N的向力，計算扶手枕的應力值，要求此應力值不允許超過扶手總成對應材料的屈服強度。

圖8 工況1雙開扶手關閉狀態(tài)時的位移云圖

圖9 工況2 雙開扶手關閉時的應力云圖

圖9為組成雙開扶手總成的各零件在工況2下的應力值。表2中羅列出各應力值及零件材料的屈服強度對比情況，可知雙開扶手總成在此工況下滿足強度要求。

通過計算機輔助工程（Computer Aided Engin- eering, CAE）分析可知，雙開扶手在關閉狀態(tài)時的剛度、強度滿足設計要求。

表2 雙開扶手關閉時強度分析結果（單位：MPa）

3.2 扶手打開狀態(tài)時

3.2.1剛度分析

工況3：將雙開扶手完全開啟，在左半扶手總成前后兩側各取2個薄弱點施加50 N的向力，計算扶手總成的變形量，要求變形量不允許超過3.5 mm，否則扶手在此工況下剛度不滿足要求。

圖10為雙開扶手在工況3的情況下各施力點的變形情況，扶手剛度滿足工程設計規(guī)范要求。

圖10 工況3雙開扶手完全打開時的位移云圖

圖11 工況4雙開扶手完全打開時的應力云圖

表3 雙開扶手打開時各施力點的變形情況 單位：mm

3.2.2強度分析

工況4：將雙開扶手完全開啟，在左半扶手總成上邊緣直接用10 mm圓盤施加125 N的向力，計算扶手的應力值，不允許其應力值超過材料的屈服強度。

圖11為雙開扶手總成各組成零件在工況4的應力值，表4中羅列出各應力值及零件材料的屈服強度對比情況，可知雙開扶手總成在此工況下滿足強度要求。

表4 雙開扶手完全打開時的強度分析結果 單位：MPa

通過CAE分析，可知雙開扶手總成在開啟狀態(tài)下的剛度、強度符合設計要求。

4 結論

本文闡述了市場上常見的兩種不同開啟方式的扶手總成及其組成，同時重點介紹了雙開扶手總成的設計要求及其設計注意事項，為后續(xù)車型雙開扶手總成的開發(fā)提供借鑒。

針對某一SUV車型采用HyperMesh軟件建立副儀表板有限元網(wǎng)格模型，對雙開扶手在關閉及完全打開兩種情況下進行剛度、強度分析，通過有限元軟件計算結果與設計要求做對比，判斷雙開扶手總成的設計是否符合工程設計要求，為后續(xù)車型雙開扶手總成的CAE分析標準及合格判斷依據(jù)提供參考。通過分析，此SUV車型的雙開扶手總成滿足設計要求。

[1] 汪念,王凡,陶鈞.汽車副儀表板多學科優(yōu)化的CAE應用[J].汽車科技,2020(2):55-58.

[2] 徐健,趙丹華.基于多樣性特征的汽車內飾副儀表創(chuàng)新研究[J].包裝工程,2021,42(12):149-157.

[3] 王鎮(zhèn)龍,彭翼尖,梁振堃,等.淺述汽車門飾板人性化設計理念[J].汽車實用技術,2021,46(11):110-113.

[4] 何睿.汽車副儀表板靜動態(tài)性能分析與優(yōu)化設計[J].塑料工業(yè),2021,49(6):78-83.

[5] 余小龍.汽車儀表板異響仿真分析及優(yōu)化[D].西安:長安大學,2020.

Design Requirement and Finite Element Analysis of a SUV Auxiliary Dashboard Double Side-opening Armrest with ABAQUS

CHEN Binwen

( Vehicle Engineering Research Institude, Jiangling Motors Company Limited, Nanchang 330001, China )

This paper introduces two kinds of armrest with different opening modes, and empha- tically expounds the design requirements and precautions of side-opening armrest in the process of design and development.The computer aided engineering(CAE) analysis method of the side-opening armrest is introduced by using the finite element analysis method to evaluate whether the rigidity and strength of the side-opening armrest of an automobile's console meet the engineering design requirements when it is closed and opened. Firstly, the 3D grid of the auxiliary dashboard of the car is divided through HyperMesh, and constraints and loads are imposed according to the company's specifications. Then, the analysis file is imported into ABAQUS analysis software for solution, and the displacement nephogram and stress nephogram of the side-opening armrest under four working conditions are analyzed. The analysis results show that the design of the armrest meets the requirements, It provides reference experience for the subsequent design and development of side-opening armrest and its CAE analysis and qualification judgment basis.

Auxiliary dashboard; Double side-opening armrest; Stiffness; Strength;Finite element analysis;ABAQUS

U463

A

1671-7988(2022)23-98-06

U463

A

1671-7988(2022)23-98-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.018

諶彬文（1989—），男，初級工程師，研究方向為整車性能，E-mail:bchen15@jmc.com.cn。