CN106256670A - 一种汽车仪表板横梁的优化方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车仪表板横梁的优化方法，所要解决的问题是在开发新的仪表板横梁设计中，能开发成本、物理实验成本较高。开发时间多长导致人力成本增加；本发明的技术方案是量化设计方式减小设计误差，优化结构设计。本发明的优点是能够确保在具有高固有频率、高结构强度的基础上，尽可能地减轻产品结构的重量，减少生产成本，实现功能设计。

Description

一种汽车仪表板横梁的优化方法

技术领域

本发明属于汽车仪表板横梁设计技术领域，具体地说是一种汽车仪表板横梁的优化方法。

背景技术

仪表板模块是汽车的重要组成部分，仪表板横梁又作为仪表板模块的重要组成部分，是仪表板、空调、安全气囊等搭接的基础。决定着仪表板工程设计的方向；仪表板横梁与车身连接状态，影响汽车驾驶状态；与转向管柱的固定，影响汽车操作的安全性。

目前，很多主机厂项目开发阶段存在方向盘怠速抖动、转向应力集中等问题，经分析是由于仪表板横梁设计不合理导致。由于仪表板横梁的重要性，很多主机厂不敢全新设计，只是照搬竞品车或者小范围的修改。造成在此产品件上，国内自主品牌技术积累落后于外资品牌。通常情况下汽车的发动机的怠速频率25Hz-28HZ，方向盘与转向管柱的一阶固有频率为50HZ以上，通过大量工程实践检验，仪表板的一阶固有频率33-35HZ。仪表板横梁的一阶固有频率要避免与发动机发生共振，仪表板和其附属件搭接到仪表板横梁上以后，仪表板横梁的一阶固有频率大约下降5％。仪表板横梁设计中充分考虑强度、刚度、模态。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车仪表板横梁的优化方法。

本发明的目的是这样实现的，它包括：选择材料，确定仪表板横梁的各部分安装结构，使用软件对仪表板横梁的整体刚度进行分析，其特征包括以下步骤：

1)选定横梁主材；

2)确定主要安装支架；

3)调整仪表板横梁的整体刚度；

4)提高横梁一阶频率；

5)利用ABAQUS、NASTRAN工具进行分析：将仪表板横梁柔性悬挂，以激振器作为激励源，在仪表板横梁上选取30个点进行拾振，测试方向垂直于车门各测点法向；

6)进行网格划分：将基础数据横梁车身模型在约束条件下，对其进行划分网格；

7)在网格划分的阶段，利用前处理软件将对格进行处理：重点划分焊点处，各分支架连接处，各圆角、加强筋的结合处，修改畸形网格漏洞；将网格处理得均匀合理；

8)对于支架上的焊点，利用后处理软件进行焊点的建模与剖析设定，在设定过程中调整约 束的变化、车身自由度的变化及其温度场；在发明过程中，将横梁与中通道支架约束连接；

9)利用薄壁结构件基础共振频率f_n处具有谱密度G_n(f_n)的均匀压力场代表仪表板横梁的怠速激励。位移均方响应和应力均方响应分别用下式表示：

$y^2\left(t\right)=\frac{\mathrm{\π}}{4\mathrm{\ξ}}{f}_n{G}_n\left(f_n\right){\[\frac{y_0}{P_0}\]}^2---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}^2\left(t\right)=\frac{\mathrm{\π}}{4\mathrm{\ξ}}{f}_n{G}_n\left(f_n\right){\[\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{P_0}\]}^2---\left(2\right)$

式中：y₀——均匀分布载荷P₀产生的静位移；

σ₀——静应力；

ξ——模态阻尼比；

压力统计特性用它们的互谱密度表示，在忽略各模态间的耦合项的情况下，位移的谱密度表示为：

式中：φ_r——第r阶共振模态；

M_r——第r阶模态质量；

ξ_r——第r阶模态阻尼比；

假设每一阶模态都是轻度阻尼并在频率上是分开的，利用公式(1)的结果在所有模态范围内积分就得到均方位位移量，从而得到每一阶模态响应的和：

在使用模态分析法进行设计的过程中，需要假设薄壁结构的边界条件，给出假设条件并提出了和程序相一致的步骤：估算薄壁结构和自然频率f_n；估算自然频率处振动噪声的谱密度G_n(f_n)；假设自然频率处的阻尼比ξ；计算静应力σ_n；估算RMS应力；估算失效时间；

通过理论分析得到刚度和质量对频率的影响：前者和模态成正比，后者和模态成反比；由于车身横梁结构变化直接影响此部件的振动特性，采用横梁的振动特性结构灵敏度因子作为结构优化改进的评价指标，以此为依据找到影响横梁振动特性的主要结构因素；

10)通过引入灵敏度的概念，能真实反映出结构设计变更的有效性，明确结构设计优化方向；

11)横梁上各支架的优化顺序为:转向管柱支架、车身支架、中通道左支架、中通道右侧支 架、副仪表板电器支架、安全气囊支架、手套箱支架、线束支架。

所述主材为SPCC主材。

所述主要安装支架是由仪表板横梁结构由转向管柱支架、车身支架、中通道左支架、中通道右侧支架、副仪表板电器支架、安全气囊支架、手套箱支架、线束支架。

所述横梁的振动特性结构灵敏度因子是横梁频率和结构变化的关系函数；灵敏度因子计算公式：δ＝(B-A)/B×100％ (5)

A：结构基础频率；B：设计更改后的频率。

本发明的优点是：确保在具有高固有频率、高结构强度的基础上，尽可能地减轻产品结构的重量，减少生产成本，实现功能设计。

下面将通过实例对本发明作进一步详细说明，但下述的实例仅仅是本发明其中的例子而已，并不代表本发明所限定的权力保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

实例1

汽车仪表板横梁的优化步骤：

1)选定横梁主材；

2)确定主要安装支架；

3)调整仪表板横梁的整体刚度；

4)提高横梁一阶频率；

5)利用ABAQUS、NASTRAN工具进行分析：将仪表板横梁柔性悬挂，以激振器作为激励源，在仪表板横梁上选取30个点进行拾振，测试方向垂直于车门各测点法向；

6)进行网格划分：将基础数据横梁车身模型在约束条件下，对其进行划分网格；

7)在网格划分的阶段，利用前处理软件将对格进行处理：重点划分焊点处，各分支架连接处，各圆角、加强筋的结合处，修改畸形网格漏洞；将网格处理得均匀合理；

8)对于支架上的焊点，利用后处理软件进行焊点的建模与剖析设定，在设定过程中调整约束的变化、车身自由度的变化及其温度场；在发明过程中，将横梁与中通道支架约束连接；

9)利用薄壁结构件基础共振频率f_n处具有谱密度G_n(f_n)的均匀压力场代表仪表板横梁的怠速激励。位移均方响应和应力均方响应分别用下式表示：

$y^2\left(t\right)=\frac{\mathrm{\π}}{4\mathrm{\ξ}}{f}_n{G}_n\left(f_n\right){\[\frac{y_0}{P_0}\]}^2---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}^2\left(t\right)=\frac{\mathrm{\π}}{4\mathrm{\ξ}}{f}_n{G}_n\left(f_n\right){\[\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{P_0}\]}^2---\left(2\right)$

式中：y₀——均匀分布载荷P₀产生的静位移；

σ₀——静应力；

ξ——模态阻尼比；

压力统计特性用它们的互谱密度表示，在忽略各模态间的耦合项的情况下，位移的谱密度表示为：

式中：φ_r——第r阶共振模态；

M_r——第r阶模态质量；

ξ_r——第r阶模态阻尼比；

假设每一阶模态都是轻度阻尼并在频率上是分开的，利用公式(1)的结果在所有模态范围内积分就得到均方位位移量，从而得到每一阶模态响应的和：

在使用模态分析法进行设计的过程中，需要假设薄壁结构的边界条件，给出假设条件并提出了和程序相一致的步骤：估算薄壁结构和自然频率f_n；估算自然频率处振动噪声的谱密度G_n(f_n)；假设自然频率处的阻尼比ξ；计算静应力σ_n；估算RMS应力；估算失效时间；

通过理论分析得到刚度和质量对频率的影响：前者和模态成正比，后者和模态成反比；由于车身横梁结构变化直接影响此部件的振动特性，采用横梁的振动特性结构灵敏度因子作为结构优化改进的评价指标，以此为依据找到影响横梁振动特性的主要结构因素；

a)通过引入灵敏度的概念，能真实反映出结构设计变更的有效性，明确结构设计优化方向；

11)横梁上各支架的优化顺序为:转向管柱支架、车身支架、中通道左支架、中通道右侧支架、副仪表板电器支架、安全气囊支架、手套箱支架、线束支架。

所述主材为SPCC主材。

所述主要安装支架是由仪表板横梁结构由转向管柱支架、车身支架、中通道左支架、中通道右侧支架、副仪表板电器支架、安全气囊支架、手套箱支架、线束支架。

所述横梁的振动特性结构灵敏度因子是横梁频率和结构变化的关系函数；灵敏度因 子计算公式：δ＝(B-A)/B×100％ (5)

A：结构基础频率；B：设计更改后的频率。

灵敏度检测关系对照表如下所示：

通过上表中的对比，7.8.9项的结构修改显著提高了横梁的灵敏度，是横梁的关键因素。

Claims (4)

1.一种汽车仪表板横梁的优化方法，它包括：选择材料，确定仪表板横梁的各部分安装结构，使用软件对仪表板横梁的整体刚度进行分析，其特征包括以下步骤：

选定横梁主材；

确定主要安装支架；

调整仪表板横梁的整体刚度；

提高横梁一阶频率；

利用ABAQUS、NASTRAN工具进行分析：将仪表板横梁柔性悬挂，以激振器作为激励源，在仪表板横梁上选取30个点进行拾振，测试方向垂直于车门各测点法向；

进行网格划分：将基础数据横梁车身模型在约束条件下，对其进行划分网格；

在网格划分的阶段，利用前处理软件将对格进行处理：重点划分焊点处，各分支架连接处，各圆角、加强筋的结合处，修改畸形网格漏洞；将网格处理得均匀合理；

对于支架上的焊点，利用后处理软件进行焊点的建模与剖析设定，在设定过程中调整约束的变化、车身自由度的变化及其温度场；在发明过程中，将横梁与中通道支架约束连接；

9)利用薄壁结构件基础共振频率f_n处具有谱密度G_n(f_n)的均匀压力场代表仪表板横梁的怠速激励；

位移均方响应和应力均方响应分别用下式表示：

式中：y₀——均匀分布载荷P₀产生的静位移；

σ₀——静应力；

ξ——模态阻尼比；

压力统计特性用它们的互谱密度表示，在忽略各模态间的耦合项的情况下，位移 的谱密度表示为：

式中：φ_r——第r阶共振模态；

M_r——第r阶模态质量；

ξ_r——第r阶模态阻尼比；

假设每一阶模态都是轻度阻尼并在频率上是分开的，利用公式(1)的结果在所有模态范围内积分就得到均方位位移量，从而得到每一阶模态响应的和：

在使用模态分析法进行设计的过程中，需要假设薄壁结构的边界条件，给出假设条件并提出了和程序相一致的步骤：估算薄壁结构和自然频率f_n；估算自然频率处振动噪声的谱密度G_n(f_n)；假设自然频率处的阻尼比ξ；计算静应力σ_n；估算RMS应力；估算失效时间；

通过理论分析得到刚度和质量对频率的影响：前者和模态成正比，后者和模态成反比；由于车身横梁结构变化直接影响此部件的振动特性，采用横梁的振动特性结构灵敏度因子作为结构优化改进的评价指标，以此为依据找到影响横梁振动特性的主要结构因素；

通过引入灵敏度的概念，能真实反映出结构设计变更的有效性，明确结构设计优化方向；

11)横梁上各支架的优化顺序为:转向管柱支架、车身支架、中通道左支架、中通道右侧支架、副仪表板电器支架、安全气囊支架、手套箱支架、线束支架。

2.根据权利要求1所述一种汽车仪表板横梁的优化方法，其特征是：所述主材为SPCC主材。

3.根据权利要求1所述一种汽车仪表板横梁的优化方法，其特征是：所述主要安装支架是由仪表板横梁结构由转向管柱支架、车身支架、中通道左支架、中通道右侧支架、副仪表板电器支架、安全气囊支架、手套箱支架、线束支架。

4.根据权利要求1所述一种汽车仪表板横梁的优化方法，其特征是：所述横梁 的振动特性结构灵敏度因子是横梁频率和结构变化的关系函数；灵敏度因子计算

公式：δ＝(B-A)/B×100％ (5)

A：结构基础频率；B：设计更改后的频率。