基于ABAQUS的某SUV副仪表板对开扶手设计要求及性能仿真分析

谌彬文

基于ABAQUS的某SUV副仪表板对开扶手设计要求及性能仿真分析

谌彬文

（江铃汽车股份有限公司 产品研发总院，江西 南昌 330001）

文章介绍了两种不同开启方式的扶手总成，并重点阐明了双开扶手总成在设计开发过程中的设计要求及其注意事项；同时利用有限元分析方法，对双开扶手总成的计算机辅助工程（CAE）分析方法进行介绍，评估某汽车副仪表板双开扶手在关闭及打开时的刚度、强度是否符合工程设计要求。首先通过HyperMesh对汽车副仪表板进行3D网格划分，并根据本公司的规范要求施加约束及荷载，然后将分析文件导入到ABAQUS分析软件中进行求解，分析双开扶手总成分别在四种工况下的位移云图及应力云图。分析结果表明，扶手的设计符合要求，为后续的双开扶手总成设计开发及其CAE分析及合格判断依据提供参考经验。

副仪表板；双开扶手；刚度；强度；有限元分析；ABAQUS

随着汽车的不断普及，消费者对汽车外观及性能的要求越来越高，这使得汽车的设计者需要通过不断优化汽车的各种造型来提高汽车品质，来迎合消费者的需求[1]。汽车内饰空间是承载用户驾驶任务和各种交互操作的空间[2]，并与消费者日常用车息息相关，新颖化的设计能极大地提升消费者对品牌的好感度[3-5]。而汽车扶手总成又是汽车内饰中副仪表板的组成部分，其设计初衷是提供储物功能，使汽车驾驶员在长时间驾驶时能够放置手臂，从而使驾驶更舒适。常用的扶手总成只有单个扶手，通过前后滑动打开扶手或者绕着扶手后端的转轴旋转开启扶手。而随着奔驰等豪华品牌车型开始使用对开手枕的设计，由于其新颖的设计，大气的外观，受到消费者的喜爱，国内各大主机厂开始纷纷效仿。

本文介绍了国内市场上常见的两种开启方式的扶手总成，并且重点对双开扶手总成及其设计注意事项进行了详细说明。最后以HyperMesh和ABAQUS软件为平台，对某运动型多用途汽车（Sport Utility Vehicle, SUV）车型双开扶手总成在关闭及打开两种状态下其刚度，强度进行分析，利用有限元分析软件，分析判断双开扶手总成在设计工况下结构设计的合理性，为后续车型双开扶手设计提供设计参考。

1 扶手总成概述

1.1 扶手总成分类

扶手总成主要由包覆表皮、发泡层、扶手外板、扶手内板、扶手铰链、轴及扭簧等组成，扶手内、外板可通过卡接或者焊接两种方式连接，最后通过紧固件与扶手箱斗及左右两侧边板连接组成副仪表板总成。按照开启方式的不同，扶手总成可分为前后开启及左右开启即对开式两种形式，如图1和图2所示。前后开启扶手总成结构成熟简单，成本较低，但是档次不高，一般用于中低端车型上；左右开启扶手总成结构新颖，用户感知度高，但是成本也相对较高，且左右半扶手的间隙面差及左右半扶手开启同步性难以保证，后期需要花费较多精力去整改调整，一般用于中高端车型上。

图1 前后开启扶手总成

图2 左右开启扶手总成

1.2 对开扶手的设计要求

1.2.1对开扶手的功能性要求

要求对开扶手的开启力大于6.5 N而小于 12 N，以便顾客有较好的操作手感，同时扶手开启时间定义在0.65 s～1.25 s之间，且左右半扶手开启时间间隔小于0.2 s。

1.2.2对开扶手的精致工艺要求

左、右半扶手间隙定义为（1.5±0.5）mm，平行度要求0.5 mm，左、右半扶手面差定义为（0± 0.5）mm，以保证双开扶手总成具有良好的精致工艺，如图3所示。

在保证扶手可以正常开启情况下，尽可能将扶手总成与侧板的间隙做小，使扶手总成满足精致工艺要求。此间隙值一般定义为（4±0.5）mm，如图4所示。

图3 左右半扶手间隙面差要求

图4 左半扶手与侧板间隙面差要求

1.2.3扶手内外板的配合要求

由于扶手转轴、扭簧及阻尼都是安装在扶手内外板上，因此，内外板相互之间的配合非常重要。一般双开扶手内、外板之间采用焊接精度高的热板焊焊接工艺。设计时焊接筋厚度一般为 1 mm，高度为11 mm～13 mm，干涉量为3 mm，布置间隙一般在10 mm～15 mm之间，且焊接筋做成S型，加大焊接面积，同时需要注意设置气孔逃逸路径避免焊接时的外观缺陷。内外板需要通过焊接工装进行焊接，如图5所示。其工作原理为上模用吸盘固定内板，下模用两个压块压住外板，内、外板对准焊接时压块松开，内外板能够自适应对准，以保证焊接精度。内、外板设计过程中前后需放置主副定位（如图6中1、2处所示），主定位处内、外板的定位间隙单边设计为 0.05 mm，保证定位准确；副定位向放开到单边0.2 mm，以保证内、外板较容易装配。对于内板上装配阻尼的结构，在保证零件表面外观的情况下尽可能做强（如图6中3处所示），防止焊接时阻尼跳动从而导致手枕不同步。

图5 热板焊焊接工装

图6 左半扶手总成

1.2.4扶手总成人机要求

为了保证扶手在打开过程中不与座椅干涉及座椅在滑动过程中不与扶手干涉，扶手总成需满足扶手总成与座椅靠背的包络间隙不小于12 mm以及扶手总成与座椅坐垫的包络间隙不小于15 mm的要求。

2 有限元模型建立

为了验证双开扶手总成设计的合理性，需要通过有限元方法验证双开扶手在使用过程中分别在关闭、开启两种状态下的刚度、强度是否符合设计要求。本文采用通用的前处理软件HyperMesh对某SUV整个副仪表板模型进行网格划分，以求尽可能真实模拟双开扶手总成的实际使用工况。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命令进行3D网格划分，模型中网格多数为六面体单元，单元尺寸为4 mm，即可保证仿真分析的刚度，又可使分析计算的时间不至于过长。使用HyperMesh软件Analysis面板中constraint工具施加副仪表板约束条件，将副仪表板中所有与主仪表板及车身中央通道的连接点的六个自由度都进行约束，有限元模型如图7所示。

表1 有限元模型信息

图7 有限元模型

3 有限元仿真分析

3.1 双开扶手关闭状态时

3.1.1刚度分析

由于双开扶手总成左右对称，所以以下有限元分析都以左半扶手总成作为分析对象。

工况1：在左半扶手总成中间用直径50 mm的圆盘施加50 N的向力，计算扶手的变形量，变形量不允许超过3.5 mm。如图8所示，双开扶手在工况1的情况下其变形量为1.27 mm，满足工程设计规范要求。

3.1.2强度分析

工况2：在左半扶手总成中间用直径85 mm的圆盘施加750 N的向力，计算扶手枕的应力值，要求此应力值不允许超过扶手总成对应材料的屈服强度。

图8 工况1双开扶手关闭状态时的位移云图

图9 工况2 双开扶手关闭时的应力云图

图9为组成双开扶手总成的各零件在工况2下的应力值。表2中罗列出各应力值及零件材料的屈服强度对比情况，可知双开扶手总成在此工况下满足强度要求。

通过计算机辅助工程（Computer Aided Engin- eering, CAE）分析可知，双开扶手在关闭状态时的刚度、强度满足设计要求。

表2 双开扶手关闭时强度分析结果（单位：MPa）

3.2 扶手打开状态时

3.2.1刚度分析

工况3：将双开扶手完全开启，在左半扶手总成前后两侧各取2个薄弱点施加50 N的向力，计算扶手总成的变形量，要求变形量不允许超过3.5 mm，否则扶手在此工况下刚度不满足要求。

图10为双开扶手在工况3的情况下各施力点的变形情况，扶手刚度满足工程设计规范要求。

图10 工况3双开扶手完全打开时的位移云图

图11 工况4双开扶手完全打开时的应力云图

表3 双开扶手打开时各施力点的变形情况 单位：mm

3.2.2强度分析

工况4：将双开扶手完全开启，在左半扶手总成上边缘直接用10 mm圆盘施加125 N的向力，计算扶手的应力值，不允许其应力值超过材料的屈服强度。

图11为双开扶手总成各组成零件在工况4的应力值，表4中罗列出各应力值及零件材料的屈服强度对比情况，可知双开扶手总成在此工况下满足强度要求。

表4 双开扶手完全打开时的强度分析结果 单位：MPa

通过CAE分析，可知双开扶手总成在开启状态下的刚度、强度符合设计要求。

4 结论

本文阐述了市场上常见的两种不同开启方式的扶手总成及其组成，同时重点介绍了双开扶手总成的设计要求及其设计注意事项，为后续车型双开扶手总成的开发提供借鉴。

针对某一SUV车型采用HyperMesh软件建立副仪表板有限元网格模型，对双开扶手在关闭及完全打开两种情况下进行刚度、强度分析，通过有限元软件计算结果与设计要求做对比，判断双开扶手总成的设计是否符合工程设计要求，为后续车型双开扶手总成的CAE分析标准及合格判断依据提供参考。通过分析，此SUV车型的双开扶手总成满足设计要求。

[1] 汪念,王凡,陶钧.汽车副仪表板多学科优化的CAE应用[J].汽车科技,2020(2):55-58.

[2] 徐健,赵丹华.基于多样性特征的汽车内饰副仪表创新研究[J].包装工程,2021,42(12):149-157.

[3] 王镇龙,彭翼尖,梁振堃,等.浅述汽车门饰板人性化设计理念[J].汽车实用技术,2021,46(11):110-113.

[4] 何睿.汽车副仪表板静动态性能分析与优化设计[J].塑料工业,2021,49(6):78-83.

[5] 余小龙.汽车仪表板异响仿真分析及优化[D].西安:长安大学,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

谌彬文（1989—），男，初级工程师，研究方向为整车性能，E-mail:bchen15@jmc.com.cn。