【摘 要】近年来，国内汽车工业迎来了快速发展期，国内汽车保有量稳步增长。然而，由此带来的能源消耗及环境保护等问题则日益紧张，这必将阻碍国内汽车工业的可持续发展。汽车轻量化技术作为汽车降低能耗、减少排放的有效措施，已经成为汽车工业发展过程中的一项关键性研究课题，而轻量化也成为国内外各汽车厂商的核心竞争技术之一。前期设计研发中参数化分析的介入，给仪表板横梁轻量化提供了可能。论文中使用ANSA前处理软件，分析仪表板横梁在整个系统中的一阶固有频率，找到支架上的薄弱环节后进行结构改进和分析。如此反复叠加优化分析，最终在满足性能要求的前提下实现了减重优化。
【关键词】仪表板横梁；参数优化；轻量化；有限元；拓扑优化
1 引言
汽车仪表板横梁（CCB）是汽车结构中的一个十分重要的部分，担负着仪表板总成、空调系统、转向系和安全气囊等重要子系统，并为很多与控制相关的电子模块提供安装接口。CCB的设计质量会直接影响汽车的NVH（Noise噪声、Vibration振动和Harshness声振粗糙度）性能，如方向盘的怠速抖动和汽车在匀速行驶时仪表板总成里面的振动异响等[1]。此外，随着对汽车轻量化的要求越来越高，要开发出既能满足各方面性能要求，质量又较轻的结构，成为设计工程师正在面临的挑战。
2 CCB CA E性能分析
2.1 CCB分析与设计流程
本项目使用ANSA前处理软件，首先，将仪表板横梁安装整车位置进行约束，然后，分析仪表板横梁在整个系统中的一阶固有频率，找到支架上的薄弱环节后进行结构改进，再分析。如此反复叠加优化分析，最终在满足性能要求的前提下减重优化，得到最优结果。
2.2 CCB约束及性能定义
此项目CCB采用侧面滑槽定位，前后X向安装，与前车围、前地板共有10个定义约束。每个安装点以及同一安装点不同方向的刚度对系统刚度的贡献量都不一样，对贡献量大的需要在设计之初有充分的认识，便于针对性地采取有效结构形式满足安装刚度要求。
方向盘的模态及刚度作为仪表板横梁主要的性能考核指标，贯穿仪表板研发的整个阶段[2]。该性能指标直接反映驾驶员可感知的方向盘抖动和碰撞过程中方向盘的侵入变形量。
另外，CCB整体一阶模态直接影响乘员对仪表板总成的直观共振感知，也是前期研发轻量化中保证的性能指标。
2.3 CCB有限元模型的建立
CCB有限元模型由转向管柱、仪表板横梁等组成，如图1所示。其中，管梁材料ST37-2G，其余冲压件为DC01。为了真实准确地模拟整个系统的振动特性，本次分析中使用了图2所示的模型，将Catia Part模型数据先在ANSA软件中处理成中性面，加入板厚信息，划分好网格。要对网格、焊点处、各圆角、支架结合处做好重点处理，修补漏洞，使得网格尽量合理均匀分布，同时考虑支架上的焊点。
图1 CCB分析约束条件
图2 CCB有限元模型示意图
2.4 CCB性能分析及结果
将网格化的数据输出给MSC Nastran进行模态计算，计算得到其前20阶的模态值，在后处理软件中读出模态振型和一阶固有频率[3]。
要求转向系统模态大于40Hz，其他局部模态不小于45Hz。转向管柱静刚度中心点静刚度位移不大于1mm；排挡静刚度不大于1.2mm。
通过MSC Nastran分析结果如表1～表3所示，可知IP左下安装支架计算模态低于目标值40Hz。前4阶模态云如图3所示。
关键考核部位静刚度目前状态满足要求。静刚度应力云图如图4和图5所示。
表1 模态结果
表2 转向管柱刚度结果
表3 排挡静刚度分析结果
图3 CCB 1～4阶模态云图
图4 转向管柱应力云图
图5 排挡应力云图
3 CCB轻量化分析
通过MSC Nastran前后处理软件，针对现有数据模型性能分析结果，通过拓扑优化、焊缝优化、试验设计等方法实现CCB的轻量化。
3.1 CCB拓扑优化分析
基于当前此项目车型CCB焊接骨架总成设计状态，建立拓扑优化模型，通过静刚度、模态等拓扑优化工况计算，寻找最佳CCB力学传递路径，提出参数设计改进方向，并建立CCB参数优化参考有限元模型。
首先，对基础模型分析可知，厚度占比中主管梁、左右安装支架、排挡、中右支撑及转向管柱占重量比重的 56%，贡献率较大。板厚优化分布云如图6所示。贡献率大的作为重点优化方向[4]。
图6 板厚优化分布图
形状优化主要通过工程师自身的丰富经验以及Benchmark修改当前的支架、衬板、横梁等，通过多次计算确定最终有效的方案，形状修改的零件有中左之间衬板、调整加强件方向、增加支撑件、延长加强筋等都可以提升模型的整体性能[5]。
管梁的优化，首次应用变截面的板厚，通过前处理软件迭代分析截面有限元的分布，确定变截面的区域与板厚差。如图7为优化后的管梁方案。
图7 横梁变截面优化结果
3.2 CCB焊缝优化设计
在支架和横梁厚度变化及形状改变的情况下，为了保证CCB整体的考核目标，可以考虑增加焊接或延长焊接长度，焊接的模拟采用Nastran求解器中的REB 2单元，基于当前CCB焊接总成设计状态，在满足零件设计的性能参数前提下，通过对焊缝进行位置和长度优化，降低目前设计状态零件的生产以及采购成本。
3.3 CCB试验设计D O E
根据确定的设计变量（质量、管梁厚度、车身/地板连接支架结构、支撑支架加强件位置及形状等参数）、设计输出指标要求（质量、模态、静刚度、强度等），确定若干模型。运用Nastran软件SOL200求解器，设定管梁、各个支架的厚度为变量，频率为约束，质量为目标，通过多次迭代得到最终优化结果。模型分析结果如表4所示。
表4 优化分析模型表
4 结论
本项目综合运用拓扑优化、尺寸优化、焊缝优化以及DOE分析等多种优化方法和算法，得出多种优化模型，在保证CCB刚度及模态各种判定标准的情况下，CCB优化之后减重1.5kg，减重占比 14.3%；降本 9元，降本占比5.4%。与Benchmark相比，此项目CCB优化后性能提升占比4.2%；减重占比10.6%，支架数量增加占比48%。完成了轻量化目标的同时，提升了CCB自身性能。
