摘 要

本文以汽车仪表板本体及横梁为研究对象，运用CAE软件HyperWorks建立了有限元仿真模型。基于有限元仿真模型，对仪表板本体及横梁结构进行模态分析、刚度分析与优化。接着联合HyperWorks和Moldflow完成注塑成型前处理步骤，对仪表板本体进行流动分析及冷却分析，总结出合理的成型工艺参数。

论文主要研究了两部分内容：一是汽车仪表板本体及横梁结构优化设计。根据模态分析，测试其振动特性是否规避发动机怠速激励；通过双载荷定义刚度分析，检验乘员可能到接触区域不发生较大变形或失效。二是成型工艺仿真分析。基于仪表板本体结构的特殊性，通过设计相应的浇注系统和冷却系统，随之进行流动分析及冷却分析，检验注塑成型参数的合理性。对比之下，前者是研究的关键。通过上述研究分析，对汽车仪表板的性能和工艺参数等进行优化。

研究结果表明，对仪表板本体及横梁进行模态分析，得到的一阶整体频率为39.62Hz（大于35Hz），符合要求。在双载荷定义刚度分析中，对仪表板本体及横梁进行了重力场下的刚度分析，在竖直方向2g重力加速度作用下，结果横梁的位移值为0.65mm（远小于2mm），刚度较好。另外在仪表板本体上取9个测点的分析其局部刚度，在50N加载力的作用下要求各加载区域变形量小于1.5mm。初步分析有4个测点不满足要求，并为此优化了仪表板本体及横梁的结构。另外在注塑成型分析中得到的成型参数，表明注塑成型的合理性。

本文的特色：本文研究包括仪表板本体及横梁设计、优化和成型等过程，覆盖大部分实际开发流程，对制造实践具备一定指导意义。

关键词：仪表板本体及横梁；HyperWorks；结构优化；Moldflow；注塑成型

Abstract

In this paper, the Instrument Panel amp; Cross Car Bar (IP amp; CCB) is the research objection. Its finite element simulation model is established by using CAE software HyperWorks. Based on the finite element simulation model, the modal analysis, stiffness analysis and optimization of the IP amp; CCB are carried out. Then, the HyperWorks and Moldflow are combined to complete the pre-processing step of injection molding. After that, carrying out the flow analysis and cooling analysis of the instrument panel, finally the reasonable molding process parameters are summarized.

The paper mainly includes two parts: firstly is the optimization design of IP amp; CCB. Through the modal analysis, to test whether the vibration characteristics of the IP amp; CCB is out of the engine’s idle vibration frequency; through the double definition load stiffness analysis, to test the area within the passenger’s contact may not have a large deformation or failure. Secondly, the molding process simulation analysis. By designing the gating system and cooling system, then analyzing the flow process and cooling process, to test the accuracy of injection molding parameters. In contrast, the former is the key of this paper. Through the above analysis, the performance, size and process of the IP amp; CCB are summarized and optimized.

The results show that, in the modal analysis, the vibration frequency of the IP amp; CCB is 39.62Hz (over 35Hz), which meets the requirements. In the load stiffness analysis, there are two load definition. The load of vertical 2g gravity acceleration analysis of the IP amp; CCB is carried out. As a result, the displacement value of the CCB is 0.65mm (far less than 2mm), so the stiffness is better. In addition, choosing 9 points on the IP to analyze the local stiffness, make sure the deformation of loading area are less than 1.5mm under the action of 50N loading force. Preliminary analysis of the analysis, there are four measuring points do not meet the requirements. Then optimizing the IP amp; CCB structure. In addition, the molding parameters obtained in the injection molding analysis show the injection molding is reasonable.

The characteristics of this paper include the design process, optimization process and molding process of IP amp; CCB, covering most of the actual development process, which has certain guiding significance to the actual manufacturing.

Key Words：Instrument Panel amp; Cross Car Bar; HyperWorks; Structural optimization; Moldflow; Injection molding

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 仪表板研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 论文研究目的及意义 3

1.4 论文的主要内容 3

1.4.1 基本内容 3

1.4.2 研究目标 4

1.4.3 采用的技术方案 4

1.5 论文研究工具 6

1.6 本章小结 7

第2章 仪表板概述 8

2.1 仪表板系统组成 8

2.2 仪表板本体介绍 9

2.3 仪表板横梁总成介绍 10

2.4 本章小结 12

第3章 仪表板结构分析及优化 13

3.1 仪表板有限元模型的建立 13

3.1.1 模型的简化 13

3.1.2 模型导入与几何清理 14

3.1.3 中面抽取与网格选择 14

3.1.4 网格划分与网格质量检查 14

3.1.5 材料定义 15

3.2 模态分析 16

3.2.1 模态分析理论基础 16

3.2.2 模态分析边界条件 17

3.2.3 模态分析结果 19

3.3 刚度分析 21

3.3.1 刚度分析理论基础 22

3.3.2 刚度分析载荷定义 22

3.3.2 刚度分析结果 23

3.4 本章小结 27

第4章 仪表板成型工艺仿真分析 28

4.1 注塑成型原理 28

4.1.1 注塑成型系统组成 28

4.1.2 注塑成型过程 29

4.1.3 注塑成型工艺影响因素 29

4.1.4 仪表板主要成型缺陷 30

4.2 注塑成型前处理 30

4.2.1 成型材料选择 31

4.2.2 网格划分与优化 32

4.3 浇注系统与冷却系统建立 35

4.3.1 最佳浇口位置分析 35

4.3.2 浇注系统建立 36

4.3.3 冷却系统建立 37

4.4 注塑成型模拟与分析 38

4.4.1 注塑成型工艺参数设定 38

4.4.2 流动结果分析 39

4.4.3 冷却结果分析 43

4.5 本章小结 46

第5章 结论 47

参考文献 49

致谢 51

第1章 绪论

1.1 引言

随着经济的发展，国内外汽车行业飞速进步。据统计，2016年全球汽车销量超8000万量，国内汽车销量超2400万量，巨大的汽车销量带动了汽车零部件及相关产业的发展。可以发现，人们对汽车的需求量日益增大，而各种各样的舒适性、安全性和成本性问题也随之而来。从全球发展趋势上看，汽车行业的发展方向为安全、节能和环保，确保人、车、自然的和谐相处。在汽车及汽车零部件的激烈竞争的带动下，汽车生产周期逐渐缩短，汽车成本逐渐降低，从而推动汽车销量地不断攀升。但此时汽车后市场的质量问题逐渐增多，汽车事故频发，汽车的召回数量也不断增加。这不单对汽车制造厂商的声誉造成损伤，更为严重的是给消费者带来不便与隐患。因此，各大厂商对汽车的设计、成型与制造等方面的研发投入不断加大，要求也日益严格。

汽车内饰是乘员触手可及的区域，关系着汽车整体舒适性、安全性等各项指标。汽车仪表板是内饰系统中极其复杂且关键部件，它的结构及性能对汽车乘坐的舒适性、安全性和汽车的生产成本等，影响巨大。汽车仪表板系统内结构复杂、部件众多，导致其结构设计、成型制造等极其复杂，因此对汽车仪表板的前期设计显得尤为重要。汽车仪表板的设计要求重点兼顾人机、法规、安全和工艺等各个方面的要求，对极其微小的部件也要进行反复校核和修改，甚至需要考虑其光老化现象^[1]。通常在汽车制造商中，汽车仪表板的开发流程如下^[2]：首先是前期开发阶段，根据相关部门输入的技术及价格竞品，给出仪表板系统的断面信息（仪表板的三处主要断面和其它典型断面），传达给外型部门；接着结构设计阶段，有关部门针对外型传达的初步外型面面进行了相关可行性分析，从而提出多个仪表板A级曲面方案，经研讨选出最终方案。而后产品工程师利用最终A级曲面方案进行仪表板结构设计，完成三维建模与结构优化工作。而后为成型阶段，工程师对成型模具出现的问题不断修改，从而得出仪表板最佳的成型方案，并投入生产。最后为试验阶段，待仪表板产品生产后，须进行多项模拟试验，包括道路强化设计、高低温的道路等试验，根据试验结果从而判断是否满足设计要求。