基于ANSYS的汽车仪表板侧盖板的结构优化设计

2015-12-31麦云飞

机械工程与自动化 2015年1期

麦云飞，刘威

（上海理工大学机械工程学院，上海 200093）

0 引言

仪表板侧盖板被安装在仪表板总成的左、右两侧，即左端盖和右端盖，起着美观和保护仪表板内部结构的作用。仪表板侧盖板与仪表板本体、膝部护垫总成通过卡扣连接在一起，某汽车在实际驾驶一段时间后，由于仪表板侧盖板的振动过大，卡扣连接处振动也很大，导致卡扣连接部位异常磨损，使得汽车在高速行驶过程中出现“异响”。针对上述仪表板侧盖板卡扣连接部位异常磨损并产生“异响”的现象，本文采用CAE模态和刚度分析方法优化仪表板侧盖板的结构，以此来解决故障。

1 仪表板侧盖板的刚度分析

1.1 仪表板侧盖板结构现状

仪表板侧盖板的材料一般为PP，它在汽车中的位置如图1所示。仪表板侧盖板卡扣结构如图2所示，在仪表板侧盖板上分布有4个卡扣，仪表板侧盖板上的卡扣1、卡扣2和仪表板本体卡结在一起，仪表板侧盖板上的卡扣3、卡扣4和膝盖护垫总成卡结在一起。

图1 仪表板侧盖板及周边零件

1.2 仪表板侧盖板结构优化设计

自由振动系统获得一次外加载荷以后，其所获得的动能为：

其中：v为振动速度；m为系统的质量；ω0为系统的角速度；A为最大振幅；f0为系统的固有频率。当外加载荷对系统施加的动能一定时，A与f0成反比，因此当固有频率f0增大时，振幅A就减小，提高固有频率可以减小系统的自由振动［1］。从具体结构分析，仪表板侧盖板卡扣连接部位产生“异响”的主要原因是仪表板侧盖板振动大，卡扣连接处振动也很大，卡扣连接部位异常磨损。根据式（1），为减小仪表板侧盖板的振幅，我们要尽量提高仪表板侧盖板的固有频率和刚度［2］。本文在不增加仪表板侧盖板厚度的基础上，拟定了以下两种改进方案，并且与不加任何改进的原方案进行比较，从而确定最优方案。

方案一：在仪表板侧盖板的内侧加蜂窝结构，也就是我们常见的连续正六边形结构，如图3所示。蜂窝上表面离仪表板侧盖板距离为5mm，蜂窝的厚度为1.4mm，正六边形的边长为10mm。

方案二：在仪表板侧盖板的内侧加加强筋结构，其结构如图4所示。加强筋上表面离仪表板侧盖板距离为5mm，加强筋的厚度同样为1.4mm，并且保证所有加强筋的体积与仪表板侧盖板的体积之和相同。

1.3 对仪表板侧盖板的刚度进行有限元仿真分析

1.3.1 有限元模型

ANSYS Workbench软件是以有限元分析为基础的通用CAE软件［3］，对改进后两种方案的结构和改进前原结构分别用ANSYS Workbench进行CAE分析。将简化后的3种仪表板侧盖板模型导入到ANSYS Workbench中，对3种结构分别进行有限元分析。由ANSYS Workbench自动划分网格，网格单元采用C3D10二阶四面体单元。

1.3.2 材料特性

PP材料的特性参数见表1。

图2 仪表板侧盖板卡扣结构

图3 蜂窝式仪表板侧盖板

图4 加强筋式仪表板侧盖板

表1 PP材料的特性参数

1.3.3 定义边界条件和添加载荷

如图5所示，仪表板侧盖板通过4个卡扣与仪表板的其他零件连接在一起，因此约束位置设在端盖与仪表板本体、膝部护板总成的连接面上。根据以往的设计经验，选取端盖面上的点为加载点，方向为垂直于仪表板侧盖板表面，大小为200N，如图6所示。要求仪表板侧盖板在承受200N载荷的拉力作用下，加载点的位移不能大于25mm。同时设置参数输出，如监视加载点的位移、有限元模型中所有单元的应力。

1.3.4 求解并比较结果

3种结构下求解的极限应力如图7所示。

图5 有限元模型的边界条件

图6 有限元模型的加载力

图7 3种结构仪表板侧盖板在200N载荷下的应力云图

3种结构下的分析结果如表2所示。

表2 3种结构侧盖板的刚度分析结果

由表2可知，在200N的载荷作用下，原结构仪表板侧盖板的最大应力为31.43MPa，加载点的位移为22.32mm，超过了PP材料的抗拉强度极限值，不满足设计要求。而蜂窝式仪表板侧盖板与加强筋式仪表板侧盖板的最大应力均小于30MPa，最大位移均小于20mm，满足设计要求。蜂窝式仪表板侧盖板的最大应力小于加强筋式仪表板侧盖板的最大应力，并且蜂窝式仪表板侧盖板加载点的位移明显小于加强筋式仪表板侧盖板加载点的位移。综合以上结果得出以下结论：蜂窝式仪表板侧盖板与加强筋式仪表板侧盖板均满足刚度要求，前者的刚度明显优于后者。

2 仪表板侧盖板的模态分析

模态是结构分析中十分重要的一部分，模态分析包括结构固有频率和相应振型，它是系统动态性能分析中最重要的一部分［4］。在模态分析中，添加材料属性和位移约束的步骤都和刚度分析的步骤相同，但在模态分析中不需要添加载荷。

本文列出了3种结构仪表板侧盖板的前6阶模态，具体数值见表3。

从表3中可知，加强筋式仪表板侧盖板相对于原结构的前6阶固有频率都增加了，而蜂窝式仪表板侧盖板相对于加强筋式的仪表板侧盖板的固有频率又进一步增加了。根据公式（1）可知，在外来扰动的能量一定时，固有频率越大，仪表板侧盖板的振幅越小，仪表板侧盖板卡扣与其他零件之间的摩擦损耗也就越小。

表3 3种结构仪表板侧盖板的固有频率Hz

蜂窝式仪表板侧盖板的1～6阶振型如图8所示，加强筋式仪表板侧盖板与原结构仪表板侧盖板的振型由于篇幅所限，未予列出。比较可得，3种结构的各阶振型相差不大，说明侧盖板内部结构的改变对固有频率有较大影响，但对各阶振型的影响不大。

3 结语

一般而言，提高整个自由振动系统薄弱环节的固有频率，可以大幅度提高系统的抗振性［5］。本文用ANSYS Workbench软件对3种结构的仪表板侧盖板进行有限元分析，结果表明蜂窝式仪表板侧盖板相对于原结构和加强筋式结构的前6阶固有频率都有所提高，是3种结构中动态性能最好的。改进后的蜂窝式仪表板侧盖板经过装车实验以后，刚度能够达到使用要求，仪表板侧盖板与整个仪表板系统连接很紧凑，侧盖板的振幅大大减小，卡扣连接处的振幅也大大减小，卡扣连接处的磨损量也被极大地减轻。