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“一根梁的擔當”-淺談CCB設計

2020-07-25 15:43:57·  來源：上汽安全與CAE技術  
　
01、什么是CCB打開車門，進入車內(nèi)，首先進入視線的是前方的儀表面板，有的科技感十足，有的則前衛(wèi)時尚。在各式各樣的儀表板下面，都隱藏著一種支撐結(jié)構(gòu)---儀表板
01、什么是CCB
打開車門，進入車內(nèi)，首先進入視線的是前方的儀表面板，有的科技感十足，有的則前衛(wèi)時尚。在各式各樣的儀表板下面，都隱藏著一種支撐結(jié)構(gòu)---儀表板橫梁，即CCB （Car Cross Beam）。
 
汽車儀表面板
CCB主要用于支撐人機界面控制設備及裝飾件， 同時與其它安全結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成安全系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)形式簡單，主要包括管梁，側(cè)端支架，管柱固定支架總成，下支腳以及附屬支架等。儀表板橫梁安裝在駕駛室前端，隱藏在儀表板下方，用于固定儀表板及其附屬件；因此通常會把CCB作為汽車內(nèi)外飾的一部分進行開發(fā)。同時，CCB多為金屬結(jié)構(gòu)，橫跨車身左右兩側(cè)，對整個駕駛室有加強作用， 而且PAB（Passenger Air Bag）等結(jié)構(gòu)也安裝在上面，對其強度有一定要求；所以，CCB同時作為一種結(jié)構(gòu)承載件進行設計。CCB作為前端儀表面板下的支撐件，擔當著安裝及安全支撐的重要責任。
 
儀表板下的CCB結(jié)構(gòu)
 
02、CCB的種類
 
CCB雖然整體結(jié)構(gòu)簡單，但由于不同車型空間布置及內(nèi)飾風格不同，其結(jié)構(gòu)設計也各有差異。按照材質(zhì)可以分為金屬類、非金屬類；其中金屬類又可以分為鋼制和非鋼制。傳統(tǒng)CCB結(jié)構(gòu)以鋼制材料居多，采用鋼管梁和沖壓件拼焊，成本低，但材料密度大，不利于輕量化設計；非鋼制金屬CCB結(jié)構(gòu)常用材料有鋁合金、鎂鋁合金等，采用擠壓和壓鑄成型，其結(jié)構(gòu)密度小，質(zhì)量輕，但成本較高；而非金屬類，多采用聚合材料與金屬搭配形式，進一步提升性能與輕量化水平。
 
不同材料的CCB（圖片源自網(wǎng)絡）
03、CCB設計要點
CCB結(jié)構(gòu)擔當著儀表板等安裝固定的功能，同時作為車輛前端支撐件，對車輛結(jié)構(gòu)性能有重要作用。其設計也主要從以下方面考慮：
（1）安裝功能：支撐儀表板以及空調(diào)等電器件的安裝與固定。
（2）碰撞保護：支持膝部碰撞保護，提供碰撞緩沖區(qū)；為PAB爆破展開提供支撐[1]。
（3）NVH品質(zhì)：支持轉(zhuǎn)向管柱及方向盤功能，滿足振動等設計要求。
（4）制造成本：滿足輕量化設計，降低制造成本。
 
CCB設計要點（圖片源自網(wǎng)絡）
安裝功能方面，需要提供一定的支撐強度；碰撞方面，需要CCB結(jié)構(gòu)沖擊作用下變形量較??；而NVH方面則要求其較高剛度，減少振動傳遞。不論是安裝功能，還是碰撞和NVH性能，都要求CCB具有較高的剛度和強度，承擔起各種設計需求。因此，CCB開發(fā)設計中，也主要以提升其結(jié)構(gòu)的剛強度為目標。
04
 
CCB的設計方法
1.主要設計工況
CCB結(jié)構(gòu)在車內(nèi)空間布置的約束下，首先要滿足各安裝界面設計，同時提高其剛強度水平和輕量化水平。在CCB結(jié)構(gòu)早期設計中，其管柱安裝整體模態(tài)和方向盤中心點剛度通常是衡量CCB結(jié)構(gòu)剛度水平的重要參考。
汽車發(fā)動機怠速頻率一般在25-28Hz之間，儀表板橫梁總成一階模態(tài)在33-35Hz，儀表板橫梁安裝上儀表板等附件時，一階模態(tài)有5%降低，為避免共振[2]，要求CCB與方向盤管柱的一階模態(tài)應在40Hz以上。
另一方面，管柱及方向盤安裝在CCB結(jié)構(gòu)上，而駕駛?cè)藛T直接接觸方向盤，需要保證在操控力矩下，方向盤變形量盡可能??；因此方向盤中心點在加載力的情況下的變形量也是重要設計指標。
 
（圖片源自網(wǎng)絡）
2.常用設計方法
（1）CCB結(jié)構(gòu)中，不同部分對性能的貢獻量有差異，對靈敏度較大的結(jié)構(gòu)進行針對性設計，是提升性能最直接有效的設計方法。
根據(jù)分析，常見CCB結(jié)構(gòu)中，各部分結(jié)構(gòu)對一階模態(tài)及剛度的影響不盡相同，以左駕車輛為例，雙支腳的CCB各子結(jié)構(gòu)對性能貢獻排序如下：
 
（圖片源自網(wǎng)絡）
可以看出，主管梁是最具有“擔當”的結(jié)構(gòu)，其次是管柱安裝支架總成，且左端側(cè)支架和左側(cè)支腳相對右側(cè)，對性能影響都更大。根據(jù)靈敏度設計，我們可以看到更粗壯的主梁，特殊設計的管柱安裝支架，加強的左側(cè)支腳，以及消失不見的右腳設計形式。
 
單支腳CCB
（2）同時，拓撲優(yōu)化設計也是常用設計方法。如采用拓撲優(yōu)化方法，對影響較大的管柱安裝支架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，實現(xiàn)輕量化設計。
（3）此外，通過模塊及參數(shù)化方法，可以實現(xiàn)快速組合優(yōu)化。結(jié)合優(yōu)化算法，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)快速尋優(yōu)設計。
 
拓撲優(yōu)化設計[3]
 
快速組合優(yōu)化設計[4]

3.未來發(fā)展方向
當前對節(jié)能環(huán)保需求不斷提高，車輛輕量化設計成為重要發(fā)展方向，CCB作為車輛重要的“擔當”角色，也在朝著更輕更強方向進化。隨著復合材料的發(fā)展，金屬塑料混合結(jié)構(gòu)成為重要研究課題，塑料CCB也已經(jīng)出現(xiàn)，相信未來其結(jié)構(gòu)將會更加豐富，在整車性能提升方面擔當起更重要的作用。
 
參考文獻
[1] 霍長宏 秦昀，儀表板橫梁設計要點淺析[J].汽車零部件，2014.
[2]田佳平，汽車儀表板橫梁結(jié)構(gòu)靈敏度與橫梁的振動特性分析.中國汽車工程學會論文集[C]，2009.
[3]MohsenRahmani, Kamran Behdinan. PSO-based Multidisciplinary Design Optimization of AutomotiveAssemblies. SAE No.2017-01-9682.
[4]Mohammed,Reza Kianifar, Loan Felician Campean. Sequential DoE framework for Steady StateModel based Calibration. SAE No.2013-01-0972.
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