某越野車儀表板的CAE多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：越野車儀表板設(shè)計(jì)中，需要滿足模態(tài)、頭碰減速度、重量限制三個(gè)要求。優(yōu)化過程中加強(qiáng)CCB的主橫梁和支架可以提高整體模態(tài)，而往往加強(qiáng)了主橫梁和支架后會(huì)導(dǎo)致頭碰減速度過高，整體重量也會(huì)超過設(shè)計(jì)限制值。利用使用多學(xué)科優(yōu)化，可以更合理地設(shè)置零件厚度，優(yōu)化零件形狀，從而實(shí)現(xiàn)多種性能協(xié)同優(yōu)化，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。

關(guān)鍵詞：模態(tài)；頭碰；輕量化；多學(xué)科優(yōu)化

中圖分類號：U469.3 收稿日期：2023-06-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.019

1 前言

越野車作為一種特殊的車輛類型，需要滿足高通過性、高承載能力、高安全性等多種要求。儀表板作為駕駛員與車輛之間的交互界面，其設(shè)計(jì)和優(yōu)化也顯得尤為重要。越野車需要適應(yīng)惡劣道路環(huán)境及野外行駛，在行駛、緊急制動(dòng)的過程中，頭部與儀表板可能會(huì)發(fā)生碰撞，如果碰撞時(shí)頭部受力過大，則很容易對乘員造成巨大損害，因此必須要提高儀表板的安全性。儀表板產(chǎn)品需要滿足GB 11552《乘用車內(nèi)部凸出物》中的頭碰試驗(yàn)的規(guī)定：在儀表板頭碰區(qū)域內(nèi)，錘頭以24.1 km/h的速度撞擊頭碰點(diǎn)，對于覆蓋安全氣囊的蓋板，則以19.3 km/h的速度進(jìn)行撞擊。要求錘頭的減速度超過80 g的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)該超過3 ms，即頭碰點(diǎn)3 ms clip≤80 g。滿足頭碰實(shí)驗(yàn)要求的儀表板能為乘員提供較好的安全保護(hù)。圖1所示為頭碰測試現(xiàn)場。

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，通過模態(tài)分析能得出某頻段內(nèi)產(chǎn)品在外部振源或內(nèi)部振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。圖2所示為模態(tài)測試現(xiàn)場。對于產(chǎn)品來說，整體模態(tài)的頻率越高則剛性越強(qiáng)。儀表板是眾多零部件的載體，模態(tài)頻率太低，儀表板會(huì)和發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率共振，產(chǎn)生異響，影響乘坐舒適性和駕駛體驗(yàn)。越野車在通過砂石、砂礫路段時(shí)車身也會(huì)強(qiáng)烈振動(dòng)，儀表板橫梁對于保證方向盤駕駛穩(wěn)定性有重要作用。為保證儀表板的整體剛性，要求一階整體模態(tài)頻率大于43 Hz。

整車制造企業(yè)會(huì)對各個(gè)子系統(tǒng)提出重量要求，以達(dá)到減少制造成本、改善車輛的動(dòng)力性能、降低燃油消耗、減輕環(huán)境污染等目的。在保持車身的強(qiáng)度和安全性的前提下，儀表板要輕量化，盡可能降低重量。

本文中的越野車儀表板經(jīng)過初始模態(tài)優(yōu)化，加強(qiáng)了CCB（儀表板橫梁）的主橫梁和部分支架，儀表板的一階整體模態(tài)優(yōu)化到43.75 Hz（圖3），大于43 Hz，滿足要求。但頭碰分析中，出風(fēng)口處頭碰點(diǎn)3 ms clip值為109.1 g，不滿足要求，并且儀表板整體質(zhì)量超出客戶的要求值0.3 kg。為降低頭碰減速度值（圖4），筆者多次嘗試弱化CCB、儀表板塑料本體等結(jié)構(gòu)，但頭碰加速度下降的同時(shí)一階整體模態(tài)也降到43 Hz以下，并且整體質(zhì)量下降的值并不能達(dá)到客戶的需求。

為達(dá)成頭碰減速度小于80 g、一階模態(tài)值大于43 Hz、減重大于0.3 kg三個(gè)目標(biāo)，采用多學(xué)科優(yōu)化策略，利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算探索三個(gè)目標(biāo)相互作用的協(xié)同機(jī)制，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2 分析過程

2.1 建立模型

儀表板模態(tài)分析采用線性分析，使用Abaqus軟件建立模態(tài)分析模型。模型中的非線性特性，例如材料塑性、接觸等，定義了也將被忽略。部分電器零件沒有必要或無法建立網(wǎng)格模型，因此建立的有限元模型質(zhì)量和實(shí)物零件質(zhì)量存在差異。為了補(bǔ)足這些質(zhì)量差異，需要在簡化的零件上分配一定的質(zhì)量，保證模態(tài)分析的準(zhǔn)確性。儀表板的每一階模態(tài)都有特定的固有頻率和模態(tài)振型，模態(tài)分析結(jié)果又分為儀表板局部模態(tài)和整體模態(tài)。本文考察的是第一階整體模態(tài)是否超過43 Hz。

儀表板頭碰采用非線性顯示動(dòng)力分析，使用Dyna建立碰撞分析模型。模型包括材料非線性、幾何非線性、接觸非線性。材料卡片采用彈塑性材料Mat24，它可以定義不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線和材料失效，可以模擬錘頭撞擊儀表板后儀表板塑料件、鈑金件的潰縮和變形，能有效地分析出撞擊過程中錘頭受到的反力和減速度。圖5為頭碰CAE結(jié)果的動(dòng)畫截圖。

儀表板塑料件本體已經(jīng)完成過一輪優(yōu)化，考慮到設(shè)計(jì)周期，本次主要優(yōu)化CCB。CCB多為金屬結(jié)構(gòu)，材料密度大，優(yōu)化CCB能顯著降低整個(gè)儀表板的總重量。

2.2 初始CAE結(jié)果解析

分析模態(tài)振型和應(yīng)變能圖后，發(fā)現(xiàn)儀表板一階整體模態(tài)是繞CCB的轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合分析結(jié)果和以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)CCB主橫梁（圖6中T5）和4個(gè)支架（圖6中T1～T4）對一階整體模態(tài)有重大影響，并且主橫梁作為CCB的最大零件對CCB的整體重量影響較大。

觀察頭碰結(jié)果動(dòng)畫，錘頭撞擊點(diǎn)后的T3、T4支架存在明顯的應(yīng)力集中，并且在碰撞過程中潰縮程度較小，結(jié)合分析結(jié)果和以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)支架的強(qiáng)度度直接影響頭碰減速度值。

經(jīng)過以上分析，判定主橫梁和4個(gè)支架對頭碰結(jié)果、質(zhì)量結(jié)果、模態(tài)結(jié)果的影響很大。以這5個(gè)零件的厚度為變量，改變這5個(gè)零件的厚度值，再計(jì)算模型改變后的頭碰結(jié)果、質(zhì)量結(jié)果、模態(tài)結(jié)果，并對比5個(gè)厚度變化與3個(gè)結(jié)果變化的數(shù)學(xué)關(guān)系，找出產(chǎn)品優(yōu)化方向。

3 優(yōu)化過程

優(yōu)化平臺采用Hyperstudy軟件，Hyperstudy是Altair公司的一款多學(xué)科設(shè)計(jì)探索、研究以及優(yōu)化軟件。在本儀表板CAE分析項(xiàng)目中，模態(tài)分析采用的是Abaqus軟件，碰撞分析采用的是Dyna軟件。三款軟件都是行業(yè)內(nèi)非常優(yōu)秀的分析軟件，但是分屬于不同的公司，數(shù)據(jù)格式不盡相同，因此開始優(yōu)化工作前需要完成模態(tài)模型（Abaqus格式）和頭碰模型（Dyna格式）在Hyperstudy分析平臺上的適配工作，包括注冊求解器和編程提取分析結(jié)果信息等工作。

3.1 DOE采樣

將主橫梁厚度變化范圍上下限值設(shè)置為2.0 mm和4.0 mm，4個(gè)支架厚度變化范圍上下限值設(shè)置為0.1 mm和3.0 mm，設(shè)置最小值為0.1 mm是模擬大幅度弱化支架的情況，5個(gè)厚度變化范圍構(gòu)成了一個(gè)樣本空間。如用全因子試驗(yàn)法，需要的試驗(yàn)次數(shù)太多，因此需要采用DOE（試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法）采樣。采用Hammersley（哈默斯利）法挑選24組數(shù)據(jù)值進(jìn)行計(jì)算，并得出頭碰結(jié)果、質(zhì)量結(jié)果、模態(tài)結(jié)果，如圖7所示。

3.2 響應(yīng)面創(chuàng)建（FIT）

以DOE得到的24組數(shù)據(jù)值為基礎(chǔ)，選擇滑動(dòng)最小二乘法（MLSM）進(jìn)行響應(yīng)面擬合，可以得到5個(gè)厚度變量和3個(gè)結(jié)果響應(yīng)的擬合響應(yīng)面。在厚度變化范圍內(nèi)任意設(shè)置5個(gè)零件的厚度，就可以通過響應(yīng)面估算頭碰、模態(tài)、重量的結(jié)果值，而不需要重新更改模型計(jì)算。

如圖8所示，分析響應(yīng)面結(jié)果可知：

a.T3和T4支架對頭碰影響最大。即便把T3和T4支架的厚度設(shè)置到一個(gè)非常低的值，頭碰結(jié)果為94 g，仍然大于80 g，頭碰結(jié)果不合格。

b.主橫梁厚度最低設(shè)置到3.0 mm可以保證模態(tài)大于43 Hz。

c.只改變T3和T4支架的厚度不能將頭碰結(jié)果優(yōu)化合格，需要對T3和T4支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化（topology optimization）是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。本文使用Optistruct軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

儀表板總成模型較大，若將完整的總成模型進(jìn)行迭代拓?fù)鋬?yōu)化，耗費(fèi)計(jì)算資源過多。同時(shí)，頭碰分析是一個(gè)高度非線性問題，需要將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性問題，才能進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化求解。本輪拓?fù)鋬?yōu)化總體思路是：優(yōu)化T3和T4支架，讓其模態(tài)值不小于優(yōu)化前的模態(tài)值；在頭碰的錘頭沖擊方向上剛度小于優(yōu)化前支架；優(yōu)化后的支架質(zhì)量越小越好。

具體實(shí)施步驟為：

a.在未優(yōu)化前的T3、T4支架安裝孔上加一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)M，模擬儀表板整體模型中支架的負(fù)載，計(jì)算其模態(tài)值A(chǔ)。

b.在未優(yōu)化前頭碰工況中，記錄T3、T4支架和儀表板平均接觸力F。

c.在未優(yōu)化前的T3、T4支架安裝孔上施加值為F的力，并記錄安裝面位移D。

d.選擇T3、T4兩個(gè)支架，根據(jù)零件能占據(jù)的空間大小，定義設(shè)計(jì)空間。

e.在Optistruct軟件中設(shè)置一個(gè)優(yōu)化分析，其中，定義模態(tài)工況：設(shè)計(jì)空間安裝孔上加一個(gè)質(zhì)量M，設(shè)置優(yōu)化約束模態(tài)下限A；定義施力工況：設(shè)計(jì)空間安裝孔上加力F，設(shè)置優(yōu)化約束施力點(diǎn)位移下限D(zhuǎn)*1.2，即在施力方向的剛度不得大于原支架的0.8；定義優(yōu)化目標(biāo)：體積最小。

f.拓?fù)涞玫酱蟾诺膬?yōu)化形狀，并根據(jù)優(yōu)化形狀重新設(shè)計(jì)支架。

3.4 驗(yàn)證設(shè)計(jì)

將優(yōu)化后的橫梁替換原橫梁后重新計(jì)算頭碰和模態(tài)，得到頭碰減速度為78.7 g（圖11），一階整體模態(tài)43.1 Hz（圖12），橫梁重量降低0.4 kg（圖13），三個(gè)結(jié)果都滿足設(shè)計(jì)要求。

4 實(shí)物試驗(yàn)

該儀表板采用了上文的優(yōu)化方案，并完成了產(chǎn)品試制。本次整車項(xiàng)目采用動(dòng)態(tài)豁免的方法滿足儀表板頭碰要求，因此沒有進(jìn)行常規(guī)靜態(tài)頭碰實(shí)驗(yàn)。模態(tài)測試中總體模態(tài)在43.1 Hz附近，CAE分析精度可以接受。

5 結(jié)語

通過本文的優(yōu)化方案，成功地提高了越野車儀表板的模態(tài)、降低了頭碰減速度和CCB重量，并得到了一些有益的結(jié)論和有效的方法。這些結(jié)論和方法不僅對越野車儀表板的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有積極的影響，同時(shí)也為其他汽車零部件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考。

首先，在儀表板設(shè)計(jì)中，合理的主橫梁厚度是非常重要的，它對儀表板的一階整體模態(tài)值和整個(gè)CCB總重量影響非常大。如何有效快速地找出主橫梁的合理厚度值是我們研究的重點(diǎn)。

其次，在頭碰試驗(yàn)中，沖擊頭沖擊方向上的橫梁支架對頭碰結(jié)果影響很大，在保證模態(tài)值的前提下，盡可能弱化，以便減小頭碰減速度值。如果減小料厚的方法不能達(dá)到要求目標(biāo)，可以考慮采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法，通過優(yōu)化支架形式，以達(dá)到頭碰減速度目標(biāo)值。

最后，找到了一種以Hyperstudy優(yōu)化平臺為基礎(chǔ)的優(yōu)化方法，利用優(yōu)化平臺提供的多學(xué)科優(yōu)化方法，該方法可以更快更好地找到設(shè)計(jì)參數(shù)，縮短設(shè)計(jì)周期，提高工作效率?？梢园堰@種方法推廣到更多的產(chǎn)品目標(biāo)優(yōu)化上，比如儀表板表面剛度、膝碰性能和儀表板局部模態(tài)的多學(xué)科優(yōu)化，以及儀表板本體輕量化、儀表板表面剛度和電器件安裝剛度的多學(xué)科優(yōu)化等。

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作者簡介：

王凡，男，1985年生，工程師，研究方向?yàn)槠噧?nèi)飾CAE仿真。