摘 要：針對現(xiàn)有鋼質(zhì)儀表板橫梁（CCB）重量較重、零件較多、工藝復雜且表面處理會污染環(huán)境的問題，提出一種將改進材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)相融合的全塑儀表板橫梁輕量化設(shè)計方法。首先依據(jù)復合材料的成型工藝要求和CCB的安裝環(huán)境對CCB進行模型設(shè)計，使其實現(xiàn)一體化的目標；然后應(yīng)用Moldflow模流分析對CCB模型的工藝進行全局驗證和尋優(yōu)；最后，基于HyperMesh有限元分析對全塑CCB力學性能進行驗證，結(jié)果表明，通過設(shè)計優(yōu)化得到的全塑CCB質(zhì)量下降了53.5%。

關(guān)鍵詞：復合材料；儀表板橫梁；輕量化；結(jié)構(gòu)設(shè)計；注塑成型

中圖分類號：U469 " " " " " " "文獻標識碼：A " " " " " "文章編號：1007 - 9734 （2025） 01- 0058- 06

0 引 言

儀表板橫梁（Cross Car Beam，CCB）是汽車駕駛艙支撐儀表板總成、中控系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和各種電器等重要子系統(tǒng)的車身附件［1］。作為車身附件的重要組成部分，其對于整車的輕量化意義非常重大，所以，越來越多國內(nèi)外的專家學者把汽車輕量化的目標放在CCB上。目前，汽車量產(chǎn)車型的CCB主流設(shè)計方案是鋼制沖壓焊接型，但鋼制CCB重量較重，需通過沖壓、焊接、表面處理等復雜工藝生產(chǎn)得到，且表面處理工藝不僅會污染環(huán)境，還會影響車內(nèi)的空氣質(zhì)量。因此，CCB輕量化研究既可以降低汽車重量、節(jié)約能源，又可以簡化制造工藝，減少環(huán)境污染。

汽車輕量化技術(shù)大致可以分為三種：結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化材料、加工工藝［2］。目前，輕量化效率最高、最具有潛力的方法是材料輕量化［3］。而在當前的輕量化材料中，玻璃纖維增強聚酰胺（GFRPA）復合材料是用量最大、使用頻次最高、增長速度最快的品種。GFRPA復合材料作為汽車輕量化材料具有很多優(yōu)點：密度小、設(shè)計靈活、耐腐蝕、抗沖擊、抗振，不僅可以減輕汽車零部件的質(zhì)量，還可降低成本。因此，汽車CCB的輕量化材料采用GFRPA復合材料具有明顯的可行性和優(yōu)點。

國內(nèi)針對CCB以塑代鋼的研究起步較晚，但隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車研發(fā)機構(gòu)和高校也開始對CCB的以塑代鋼進行了一些探索。海南大學張小敏［4］以鋼制CCB模型為研究對象，將CCB材料定義為在力學性能優(yōu)良的玻璃纖維增強聚丙烯材料中進行基于ANSYS的靜剛度以及模態(tài)分析實驗。模態(tài)分析結(jié)果顯示其符合設(shè)計規(guī)范要求，靜剛度分析結(jié)果不符合設(shè)計要求，且該研究并未對CCB進行重新設(shè)計，所以制造工藝可行性和力學性能結(jié)果都存在偏差。上海泛亞汽車技術(shù)中心有限公司向良明［5］等利用以塑代鋼方法將傳統(tǒng)鋼制CCB以玻璃纖維增強聚丙烯材料進行重新設(shè)計，利用Moldflow軟件對塑料CCB進行注塑工藝分析，驗證了塑料CCB的結(jié)構(gòu)和工藝的可靠性，但并沒有對CCB的模態(tài)和剛度進行研究。

CCB是需要承載外力的安全件，有很高的性能要求，而復合材料的彈性模量和鋼材相比還有一定差距，為保證全塑CCB的力學性能，其截面會很復雜，且分布著很多形狀各異的加強筋，會導致注塑成型充不滿、安裝空間不足等缺陷。為了滿足產(chǎn)品的性能要求并達到輕量化的目的，本文以某汽車CCB為研究對象，在不改變原有功能，不改變關(guān)鍵孔的位置和大小的前提下，基于改進材料和結(jié)構(gòu)融合的方法對CCB進行輕量化設(shè)計并研究其注塑工藝、力學性能可行性。

1 全塑CCB結(jié)構(gòu)設(shè)計

全塑CCB的輕量化設(shè)計需滿足注塑成型工藝的各項要求，在保證出模、安裝、強度等性能指標的前提下進行替代設(shè)計。根據(jù)以上設(shè)計原則，分析CCB的特征，設(shè)計多種方案并分析可行性，對比各個方案的優(yōu)缺點，確定最佳設(shè)計方案［6］。新設(shè)計的全塑CCB最大尺寸為1293 mm×600 mm×364 mm，全塑CCB采用一體注塑工藝，將鈑金CCB的金屬主管和鈑金支架全部變?yōu)橐粋€注塑體。由圖1可以看出，全塑CCB相比于鈑金CCB整體性更高，零件組成由原來的31個減少為1個，有利于減少每個零件間由于焊接工藝造成的尺寸誤差。另外，塑料的彈性模量為17 GPa，遠小于鋼材的212 GPa，所以全塑CCB的結(jié)構(gòu)橫截面要大于鈑金CCB。全塑CCB的主梁為35 mm×65 mm，且分布大量的加強筋，遠大于鋼管主梁的35 mm。同時為保證全塑CCB的強度，產(chǎn)品基本厚度為4.0 mm。

全塑CCB的主體結(jié)構(gòu)由U型斷面構(gòu)成，如圖2所示，U型斷面的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省空間，強度高。斷面的寬度和高度可根據(jù)空間的大小進行適當?shù)恼{(diào)整，加強筋的高度隨U型斷面的高度而變化。

2 注塑工藝分析

2.1 "模型網(wǎng)格劃分

新設(shè)計的全塑CCB結(jié)構(gòu)復雜，筋位較多，模具結(jié)構(gòu)復雜，注塑工藝不易掌控，在進行設(shè)計前需對注塑工藝進行模擬分析［7］。將全塑CCB的三維模型導入Moldflow軟件，然后對其進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選擇雙層面網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。全塑CCB網(wǎng)格縱橫比為2.04，自由邊、多重邊、相交單元等為0，匹配率為92.1%，符合模流分析要求。

2.2 "澆口設(shè)置

在全塑CCB注塑工藝分析前，利用Moldflow對模型進行最佳澆口位置分析，為全塑CCB找到一個初始的最佳澆口位置。系統(tǒng)提供的最佳澆口位置只是一個參考，在工藝分析階段應(yīng)結(jié)合全塑CCB的結(jié)構(gòu)特點和使用要求，確定最終的澆口位置。

全塑CCB尺寸相對較大，擬使用一模一腔的模具布置，澆口形式選擇點澆口。綜合考慮塑件注射成型過程中材料的流動規(guī)律及產(chǎn)品的性能要求，將主流道布置在模具中心。分熱流道采用六點閥式熱流道，并設(shè)計兩種澆口方案（P1和P2）進行模流分析，通過對兩種方案的結(jié)果進行比較分析，選擇最佳澆口方案。澆口方案及位置如圖4所示。模流分析最優(yōu)工藝參數(shù)見表1。

2.3 "填充結(jié)果分析

填充結(jié)果分析是判斷塑料零件成型性的最重要部分，主要用于查看制件是否可以填充，是否平衡。充填時間是指熔體充滿整個型腔時所需的時間。充填時間可體現(xiàn)出塑件充填過程中的兩個方面：一是型腔是否充滿，二是流動是否平衡。不同方案填充時間如圖5所示。圖中每種顏色的輪廓代表熔體經(jīng)過模具型腔對應(yīng)位置時所需要的時間，在開始澆注時用藍色表示，隨著熔體向前流動顏色逐步加深，充填結(jié)束用紅色表示［8］。

從圖5可以看出，按照順序閥澆口進料，兩種方案的流料填充時間分別為3.266 s、3.458 s，時間較合理，能夠滿足全塑CCB的注塑周期需求。兩種方案的塑件都能完全充滿，且熔體同時達到塑件兩端，時間差分別為0.124 s、0.045 s，說明兩種方案的澆注系統(tǒng)在充填時間方面都合理。從分析結(jié)果看，P1方案靠近和遠離澆口的部分填充時間存在差異，充填平衡性較差；P2方案的時間差較小，除遠離澆口部分有一定的差別，填充情況基本一致，充填平衡性較好。

注射位置處壓力XY圖是模具注射位置在注射階段、保壓階段、冷卻階段的壓力變化圖。查看XY圖，目的是要檢查注射壓力是否出現(xiàn)突變。如果存在突變，說明充模突遇阻力，應(yīng)該相應(yīng)調(diào)整充模速度，避免充模的不平衡［9］。從圖6來看，P1的壓力線突變較多，P2突變相對少。熔體注入型腔后，注射壓力不斷增大，P1在充模快結(jié)束時注射壓力出現(xiàn)尖峰，可能的原因是注塑產(chǎn)品未能很好地進行平衡充模。

流動前沿溫度是分析熔體流動情況的重要指標，代表充填過程中注塑熔體流動波前溫度的分布，要求其變化在10 ℃以內(nèi)［10］。從圖7（a）可看出方案P1流動前沿處的最大溫度差為8.4 ℃，溫度差雖然在10 ℃范圍內(nèi)，但其溫度的分布均勻性較差。從圖7（b）中看出方案P2流動前沿處的最大溫度差為4.8 ℃，溫度分布均勻，P2方案較合理。

熔接線是注射成型中常見的缺陷之一，它是由于兩股聚合物熔體匯集到一起，或一股流動前沿分開后又合到一起產(chǎn)生的，所以常常難以避免［8］。熔接痕分析結(jié)果如圖8所示。

從圖8（a）中可看出，熔接線較多，且分布的位置多在全塑CCB轉(zhuǎn)向管柱安裝孔，此處結(jié)構(gòu)的薄弱，對于模態(tài)要求較高的CCB是比較危險的。圖8（b）中，熔接線數(shù)目雖有增加但分布位置向大平面轉(zhuǎn)移，偏離了結(jié)構(gòu)上相對薄弱的位置，對管柱安裝點的強度有所改善。

2.4 "翹曲變形分析

翹曲變形是指塑件未按照設(shè)計的形狀成形卻發(fā)生表面的扭曲，它是塑件常見的缺陷之一。翹曲變形分析是預(yù)測塑料件翹曲變形的重要手段，通過分析翹曲變形的原因，從而優(yōu)化設(shè)計，可以提高注塑生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，縮短模具設(shè)計周期，降低成本［11］。翹曲變形分析結(jié)果如圖9所示。

從圖9（a）中可看出，P1的最大翹曲變形量為（+5.355，-6.544），翹曲變形較大。結(jié)合圖5的流體填充時間來看，P1的填充時間左右差較大，導致流料在模具腔體內(nèi)流動距離較長，由凍結(jié)層與中心流動層之間流動和補縮引起的內(nèi)應(yīng)力變大。而P2的填充時間左右差較小，流動距離短，從澆口到制件流動末端的流動時間相對較短，充模時凍結(jié)層厚度減薄，內(nèi)應(yīng)力降低，翹曲變形也因此有所減少。另外，從圖6的XY圖可以看出，P1的注塑壓力為82 MPa，遠大于P2的64 MPa。較大的注射壓力容易增大熔體的分子取向傾向，進而增加其內(nèi)應(yīng)力導致翹曲變形。塑件各側(cè)的溫度也會影響塑件的翹曲變形，模具冷卻時要盡量保持型腔、型芯各處溫度均勻一致，使塑件各處的冷卻速度均衡，從而使各處的收縮更趨均勻，有效地防止變形的產(chǎn)生［12］。從圖7可以看出，P1最大溫度差為8.4 ℃，P2的流動前沿處的溫度差為4.8 ℃，P1較大的溫度差也會影響塑件的翹曲變形。

綜合模流分析結(jié)果表明，全塑CCB制品結(jié)構(gòu)符合注塑成型工藝要求，采用P2方案成型效果最佳，過程中各階段無不合理現(xiàn)象。

3 模態(tài)及剛度分析

3.1 "模型說明

原始幾何模型導入系統(tǒng)，幾何清理去除細小特征：孔徑小于R2 mm的定位孔；倒角R小于2 mm的過渡圓角；分析對象采用四節(jié)點殼單元，采用減縮積分方式（S4R）。材料采用PA6-GF30，密度為1.36 g/cm3，彈性模量為5100 MPa，泊松比為0.33。橫梁附件以質(zhì)量點形式體現(xiàn)，轉(zhuǎn)向管柱總成的質(zhì)量中心點坐標為（585.683，-314.500，571.165），質(zhì)量為3.8 Kg。其余管梁附件如空調(diào)、儀表板、氣囊等多與車身、儀表板總成之間存在結(jié)構(gòu)連接，非獨立安裝到管梁。

3.2 "網(wǎng)格劃分

基于Hypermesh 2020進行網(wǎng)格劃分，單元尺寸5 mm，該尺寸能夠較好地表現(xiàn)模型特征，網(wǎng)格總數(shù)48969。網(wǎng)格最終效果如圖10所示。

3.3 "分析結(jié)果

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動特性，每一個模態(tài)都有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)對結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)、動載荷的產(chǎn)生和傳播以及結(jié)構(gòu)振動的形式等具有重要影響[13]。實驗中采用Lanczos法，儀表板橫梁與車身固定處采用全約束，計算與駕駛員主觀感受抖動最明顯的垂向模態(tài)。根據(jù)前期模型設(shè)計和工藝分析結(jié)果，對全塑CCB結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析和剛度分析。由表2可知全塑CCB的模態(tài)大于30 Hz，滿足模態(tài)標準，剛度＜3 mm，滿足剛度要求。

圖11為全塑CCB模態(tài)分析圖，由圖中可知變形位置在右側(cè)的雜物箱安裝支架，變形形態(tài)是繞著CCB主管扭轉(zhuǎn)振動，需要加強CCB主管的剛度。圖12（a）（b）為全塑CCB的Y向、Z向剛度分析結(jié)果圖，由圖可知CCB最大變形量在管柱下部安裝點位置和左下支架位置，需加強此處的剛度。

4 輕量化效果對比

由表3可知，在保證整車性能要求的情況下，本次設(shè)計的全塑CCB重量從原鋼質(zhì)CCB的10530 g降到4898 g，減重53.5%，輕量化效果顯著，達到了最初的設(shè)計要求。

5 總結(jié)與展望

本文提出了一種基于改進材料和結(jié)構(gòu)融合的全塑CCB輕量化設(shè)計方法，建立了可一體注塑成型的GFRPA復合材料CCB三維模型，將材料替代與結(jié)構(gòu)設(shè)計同時應(yīng)用到輕量化設(shè)計過程中，采用Moldflow對模型進行注塑工藝可行性分析，并采用Hypermesh有限元分析計算模型的模態(tài)和剛度，得到了工藝、性能、輕量化效果滿足要求的全塑CCB模型。

應(yīng)用該方法對某車型的CCB進行了重新設(shè)計和分析，建立了該車型CCB的輕量化模型，通過有限元仿真驗證了模型的可行性，重新設(shè)計的CCB質(zhì)量下降了53.5%，同時簡化了生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)過程的環(huán)保性顯著提升。

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責任編輯：裴媛慧，陳 強

Lightweight Design of Cross Car Beam Based on Material Improvement and Structure Optimization

FENG Desheng1，LI Jiaqiang1，WU Xiaoge1，LIU Shukai2，LI Fei1，REN Yumei1

（1.Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou 450046，China；

2.Beijing Aerospace TT amp; C Technology Co.，Ltd.，Beijing 100000，China）

Abstract：To address the problems of excessive weight，numerous components，complex manufacturing processes，and environmental pollution caused by surface treatments existing in the traditional steel Cross Car Beam （CCB），a lightweight design method for using all-plastic CCBs is proposed，which combines improved materials and optimized structure.Firstly，a CCB model is designed according to the molding process requirements of composite materials and the CCB’s installation environment.Then，the Moldflow analysis is applied to globally verify and optimize the process of the CCB model.Finally，the mechanical properties of the all-plastic CCB are verified based on Hyper-Mesh finite element analysis.The results show that the all-plastic CCB achieves a 53.5% reduction in weight by design optimization.

Key "words： composite material；CCB；lightweight；structure design；injection molding