基于ANSYS的汽车仪表板骨架有限元分析

刘国漪，刘志鹏

(1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804) (2.湖南大学机械与运载工程学院，湖南 长沙 410082)

仪表板骨架装置的主要功能是为仪表板饰件总成及汽车电器仪表模块、副驾驶侧安全气囊等零件提供支撑，其承受各支架上零部件的重力和冲击，对驾驶室内乘员的安全有直接影响[1]。汽车仪表板骨架在车身设计中有着举足轻重的作用，其不仅支撑仪表板上各电子器件、安全气囊等部件，还能增强驾驶室车身强度和刚度。如果仪表板骨架结构设计不符合规范，容易造成支架上的零部件产生扭曲变形，降低车辆在发生碰撞时的安全性能；同时还易引起零部件以及转向管柱在汽车怠速或行驶时产生的低频抖动，影响乘坐舒适性。在有关仪表板骨架的研究分析中，孙煜[2]通过注塑可行性分析来预估产品问题；杜登惠等[3]对局部重要结构进行拓扑优化和形状优化，但并未对结构特性进行相关分析。为了有针对性地对仪表板骨架进行优化，有必要对其进行模态分析和静刚度分析。

本文以某车型仪表板骨架为例，基于有限元分析软件ANSYS，对仪表板骨架进行模态分析和静刚度分析，判断其是否达到设计标准，为之后仪表板骨架的轻量化设计和结构优化提供相关参考。

1 仪表板骨架有限元模型的建立

1.1 仪表板骨架概述

仪表板骨架主要包括4部分：仪表板横梁、定位支撑支架、吸能支架和安全气囊支架[4]。本文仪表板骨架为钣金焊接型管柱式横梁，构成和安装方式为整体焊接型。该仪表板骨架的结构如图1所示。

1—管梁左端支架总成；2—机盖扣手-诊断接口固定支架；3—仪表板本体左下固定点加强件；4—转向管柱安装支架；5—本体组合仪表下部固定支架；6—仪表板本体左下固定支架二；7—仪表板本体左下固定支架一； 8—中央左支撑支架；9—中部线束卡扣板；10—中部上连接支架；11—中央右支撑支架；12—杂物盒安装支架；13—仪表板本体右上固定支架一；14—仪表板本体右上固定支架二；15—管梁右端支架总成；16—风道右侧固定支架；17—安全气囊固定支架；18—仪表板本体右上固定支架一；19—仪表板管梁副梁； 20—音响支撑支架； 21—组合仪表处加强支架； 22—驾驶侧前围连接支架；23—仪表板管梁主梁

1.2 有限元网格划分

在HyperMesh中建立有限元模型，选择壳单元对仪表板骨架进行模拟。最终建立的仪表板骨架有限元模型中包含45 725个四边形单元和550个三角形单元，单元总数为46 275个。待装配的仪表板骨架有限元网格模型如图2所示。设定仪表板骨架中的材料参数：杨氏模量为2.1E+5MPa，泊松比为0.3，密度为7.85E-9t/mm3。

图2 待装配的仪表板骨架有限元模型

1.3 有限元模型的装配

仪表板骨架上的二氧化碳保护焊可通过CERIG单元(刚性单元)进行模拟。根据仪表板横梁其他支架的设计要求，如果固定在仪表板上的部件质量超过1.5kg(如安全气囊)，则必须将其固定在仪表板横梁支架上[5]。通过质量单元MASS21来模拟零部件的质量，采用刚性连接的方式来模拟螺栓连接。有限元模型主要部位的装配情况如图3所示。

图3 有限元模型主要部位的装配情况

根据仪表板骨架在实际安装处中所受的约束，在模型中对相应位置的节点施加约束。仪表板骨架的实际固定位置如图4所示，其有限元模型的约束设置如图5所示。

图4 仪表板骨架的实际固定位置

图5 仪表板骨架有限元模型的约束设置

2 仪表板骨架模态分析

如果仪表板骨架结构设计不符合规范，易引起零部件以及转向管柱在汽车怠速或行驶过程中产生低频抖动，从而降低驾驶室的NVH水平，影响乘坐舒适性，也影响电子元器件的性能[6]。通过计算仪表板骨架的模态，分析其结构的振动特性,为防共振设计提供依据。

2.1 设计目标值的确定

发动机怠速激励通常是引起转向系统结构共振的主要因素之一。为避免发生共振,在设计仪表板骨架时，其低阶模态的固有频率需避开激励频率。发动机激励频率f计算公式如下：

(1)

式中：n为发动机转速；i为发动机缸数。

一般四缸发动机怠速时的转速约为700～900r/min，根据式(1)得发动机怠速时激励频率为23.3～30.0Hz。根据企业仪表板骨架的设计规范，通常要求仪表板骨架整体的一阶固有频率大于35Hz。

2.2 仿真结果分析

一般在汽车行驶过程中，10阶以上的振动是很少见的，而且在工程实际中高阶振型对结构动态特性的贡献很少，因此在对仪表板骨架进行模态分析时一般只分析前6阶模态。表1为前6阶固有频率及振型。图6为仪表板骨架前6阶模态变形图。

表1 前6阶固有频率及振型

图6 仪表板骨架前6阶模态

由计算结果可知：该仪表板骨架整体的一阶固有频率为112.14Hz，远远大于设计目标值35Hz，不会在汽车怠速时产生共振，符合设计规范。从图6中可以看出，副梁管上的安全气囊支撑支架出现局部模态(绕副梁管作扭转振动)，频率为32.52Hz。由于安全气囊模块的质心远离仪表板横梁副梁管以至于其形成了与悬臂梁类似的结构，因此出现了比较大的振幅。这种情况可以通过给安全气囊支架增加约束的方法来消除。音响支撑支架、本体左下固定加强件和机盖扣手-诊断接口固定支架、中央右支撑支架分别在87.48Hz、127.17Hz、160.28Hz有着局部模态，在这些激励频率下对应局部模态的部件将产生共振现象。由于在汽车正常行驶或高速行驶时发动机的激励频率可达到100～200Hz，因此最好对上述3个支架增加相应的固定约束。

3 仪表板骨架静刚度分析

根据仪表板横梁设计规范[7]，在对仪表板横梁进行静刚度有限元分析时，模型的载荷条件为在方向盘轮盘中心分别施加1 000N的垂向力和侧向力，载荷施加点的位移量要小于3mm；分别对仪表板横梁上各支架安装点的平面沿法向施加100N的载荷，则载荷施加点的位移小于1mm。方向盘轮盘中心垂向静力载荷、侧向静力载荷如图7和图8所示。各个加载点位移数据见表2。

图7 方向盘轮盘中心垂向静力载荷

图8 方向盘轮盘中心侧向静力载荷

由计算结果可知，方向盘轮盘中心施力点的位移为2.865mm，小于仪表板横梁设计规范中的3mm，满足设计要求。风道固定支架、中部线束卡扣板支架、组合仪表处加强支架、本体组合仪表下部固定支架、车身前围和底边固定支架、部分仪表板侧围固定支架以及部分仪表板本体固定支架安装点的位移值都小于1mm，符合设计规范。而安全气囊固定支架、音响支撑支架、仪表板本体固定支架3和4、车身侧围连接支架4和8其安装点加载位移都大于1mm，超出设计要求。可根据实际情况对这些支架进行结构加强，如通过增大支架的截面、增加材料的厚度、在支架上压加强筋等方式加强结构。

表2 各个加载点位移数据

4 结论

本文运用有限元软件HyperMesh建立了仪表板骨架的有限元静态分析模型，并基于ANSYS软件对仪表板骨架进行了模态分析和静刚度分析，得到了以下结论：

1)仪表板骨架的一阶整体固有频率为112.140Hz，远大于设计标准值35Hz，整体模态性能良好。

2)副驾驶安全气囊支架在较低频率下产生了共振，振动出现了局部偏大值，存在约束不足或者刚度不足的问题，需要做进一步优化设计。

3)仪表板横梁、风道固定支架、中部线束卡扣板支架、组合仪表处加强支架、本体组合仪表下部固定支架、车身前围和底边固定支架、部分仪表板侧围固定支架以及部分仪表板本体固定支架符合刚度要求。

4)安全气囊固定支架、音响支撑支架、部分仪表板本体固定支架、部分车身侧围连接支架不符合设计要求，建议加强这些部件的刚度。