挤压镁合金仪表板管梁设计方法技术

一种挤压镁合金仪表板管梁设计方法，根据设计要求，在包括承载能力、空间尺寸、连接硬点的基础上考虑仪表板管梁的功能、与车身的连接、占用空间设计仪表板管梁的初步结构、模态分析和刚强度分析结构基本性能，以这些基本性能不降低为条件、以质量最小为目标、以截面尺寸为变量进行截面优化设计，使设计出的仪表板管梁在满足相关技术要求和法规要求的前提下具有质量最小。本发明专利技术不仅简化了工作量，而且充分考虑了挤压镁合金的特性，提高了产品开发成功率，缩短开发周期，有利于挤压镁合金同类产品的设计开发。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械设计领域，涉及乘用车零部件设计方法，尤其是在确保乘用车零部件相应技术指标的前提下设计出最轻的挤压镁合金仪表板管梁结构。
技术介绍
镁合金具有轻质、较高的比刚度和比强度、环境友好等特点，在汽车上的应用越来越广泛。此外，镁的减振系数远高于铝和钢铁，具有优良的抗冲击性能，有利于减振降噪，因此在转向盘骨架、转向管柱支架、气门室罩盖等汽车零部件中得到较为广泛应用。我国具有非常丰富的镁资源，推广镁合金在汽车上的应用在中国具有得天独厚的优势。目前国内外仪表板管梁认为钢板冲压件或者钢管件，钢制件的加工工艺方法相对发展成熟，且钢制仪表板管梁与相邻件的连接为同质材料的连接，采用传统的钢制件的工艺分析和连接方法设计就可以满足要求。采用挤压镁合金制造仪表板管梁具有轻质、优良机械力学性能以及抗冲击性能，有利于减轻质量和减震降噪。现有的钢制仪表板管梁的设计主要包括两大内容首先根据设计要求做结构初步设计，然后采用有限元方法作CAE分析并作改进设计。其中各部件件连接采用传统的焊接方式，也无需考虑防腐等要求。这种方法适合于钢制件的设计，没有考虑镁合金以及挤压镁合金材料自身的特点。因此，要是设计出的镁合金仪表板管梁满足相应法规要求和技术要求，同时达到轻质、可靠的要求，需要研究新的设计方法。
技术实现思路
为了避免目前国内外采用的钢制仪表板管梁设计方法所带来的结构设计反复较多、连接性等问题，本专利技术提供一种。为了达到以上目的，本专利技术采用的技术方案是一种，根据设计要求，在包括承载能力、空间尺寸、连接硬点的基础上考虑仪表板管梁的功能、与车身的连接、占用空间设计仪表板管梁的初步结构、模态分析和刚强度分析结构基本性能，并以这些基本性能不降低为条件、以质量最小为目标、以截面尺寸为变量进行截面优化设计，使设计出的仪表板管梁在满足相关技术要求和法规要求的前提下具有质量最小，制造工艺分析挤压镁合金仪表板管梁各部件的制造可行性，连接工艺分析镁合金仪表板管梁总成中组成零件的连接方式以及仪表板管梁总成与相邻钢制件的连接方法，确保设计出的镁合金仪表板管梁满足低阶振动性能、静态刚强度性能、制造工艺性、连接工艺性。所述仪表板管梁各部件包括仪表板管梁横梁，采用挤压一次成形，然后进行4次面内弯曲工艺，两段相邻弯曲位置之间设有便于夹紧的直线段，仪表板管梁横梁的两端进行整形、切边，中间进行局部整形；仪表板管梁支架，采用拉延工艺一次成形，然后进行切边，在与现有钢制仪表板管梁的仪表板管梁支架相同的位置处钻出相应的基准孔、装配孔；转向管柱，为整件一次性挤压制成，类似槽型件，在中间位置设有长焊缝，将现有钢制仪表板管梁的转向管柱中的中间板材去掉，采用挤压型材，两端镗孔出相应的装配孔；收音机支架，避免了切口设计，采用切边的方式加工，其采用弯曲一次成形，然后同时进行两端压铆螺钉孔及修边；驾驶员侧和副驾驶员侧支架，采用挤压型材通过一次挤压拉伸而成，然后进行六次面内弯曲，两段相邻弯曲位置之间设有便于夹紧的直线段，在与现有钢制仪表板管梁的驾驶员侧和副驾驶员侧支架相同的位置设置相应的线束孔和连接孔，在线束孔和连接孔相对的一侧预留了扳手的操作空间；中间支架，采用挤压型材通过挤压一次成形，然后进行翻边、切边，最后再冲出相应的定位孔以及装配孔，保证装配面以及孔位置与现有钢制仪表板管梁的中间支架相同；空气囊支架，采用拉延工艺一次成形，然后进行切边，在与现有钢制仪表板管梁的空气囊支架相同的位置处钻出相应的装配孔；空调支架，通过落料冲孔工艺制作，其将空气囊支架的底端延伸到空调支架的上表面，去掉空调支架与仪表板横梁焊接段，空调支架在与空气囊支架贴合的部分进行焊接， 从而避免了刚度较弱的类悬臂梁结构，两个零件之间可以相互增强。中控台支架，采用翻边成形，两侧支架截面相同，并冲出相应的装配孔，中控台支架与驾驶员/副驾驶员侧支架对焊，即中控台支架横截面焊接在驾驶员/副驾驶员侧支架表面上；固定支架，采用弯曲成形，且装配面以及孔位置与现有钢制仪表板相同。所述仪表板管梁的各部件均采用镁合金材料，各部件间采用氩弧焊进行连接，仪表板管梁与车身或仪表板周围的连接件连接时使用的钢质螺栓进行渗铝处理。根据仪表板管梁总成几何模型，抽取零部件的中面，建立有限元模型，仪表板管梁采用壳单元建模，点焊采用焊点单元CWELD模拟，缝焊采用结点重合模拟，部分无法实现的位置采用刚性单元模拟。所述仪表板管梁总成与车身相连位置的三个平动自由度和三个转动自由度设为零进行约束，以模拟仪表板管梁与车身的相对运动关系。在仪表板管梁各部件截面尺寸优化前，先计算仪表板横梁骨架总成一阶整体固有频率对其各部件截面尺寸的灵敏度，得到那些对仪表板横梁骨架总成一阶整体固有频率影响较大的部件，从而使截面尺寸优化时设计变量的选取变得更为有效，不至于盲目选取大量设计变量，影响计算效率和精度，根据灵敏度分析结果，选取了合适的部件截面尺寸进行模态尺寸优化，最终对主要结构件板厚进行修改。所述仪表板管梁外径为50mm，厚度为2. 5mm。所述仪表板管梁横梁的弯曲半径均为100mm，两段相邻弯曲位置之间的直线段长度均大于等于50mm。所述仪表板管梁支架板厚为2mm。所述转向管柱板厚为2mm，过渡区域通过圆角过渡，以减小应力集中。所述空气囊支架板厚为2mm。所述中控台支架板厚为1. 5mm。所述固定支架板厚为2. 5mm。本专利技术涉及的是一种综合考虑结构设计、制造工艺、连接工艺以及材料自身特性的一种新的设计方法，涵盖了结构设计、有限元分析技术、制造工艺分析和连接工艺分析、材料分析，这些分析方法的有效组合可以达到现有的其他方法所不能达到的效果，如快速、准确及方便性。本专利技术的有益效果是可以使设计出的挤压镁合金仪表板管梁结构在结构布置、 杆件截面类型和尺寸达到最优匹配，保证在低阶振动特性和必要的刚强度性能以及考虑防腐的连接性，保证在现有的生产条件下就能生产制造。该方法不仅简化了工作量，而且提高了产品开发成功率，缩短开发周期，充分利用了挤压镁合金自身的轻质和优良机械力学性能的优点。附图说明图1是本专利技术方法的流程示意图。图2是设计出的挤压镁合金仪表板管梁骨架结构图。表1是模态灵敏度分析结果。表2是模态尺寸优化结果。具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本专利技术作进一步的说明。图1是本专利技术方法的流程示意图，主要包括根据设计要求，在包括承载能力、空间尺寸、连接硬点等条件的基础上考虑仪表板管梁的功能、与车身的连接、占用空间设计仪表板管梁的初步结构，模态分析和刚强度分析结构基本性能，并以这些基本性能不降低为条件、以质量最小为目标、以截面尺寸为变量进行截面优化设计，使设计出的仪表板管梁在满足相关技术要求和法规要求的前提下具有质量最小，制造工艺分析挤压镁合金仪表板管梁各部件的制造可行性，连接工艺分析镁合金仪表板管梁总成中组成零件的连接方式以及仪表板管梁总成与相邻钢制件的连接方法，确保设计出的镁合金仪表板管梁满足低阶振动性能、静态刚强度性能、制造工艺性、连接工艺性。图2是本专利技术设计出的镁合金仪表板管梁结构图。1、仪表板横梁1考虑到结构性能和镁合金材料性能，等抗弯截面刚度下，随着外径的增大，内径逐渐增大，厚度逐渐变小，质量不断减少。从减重角度考虑，增大外径是提高抗弯截面刚度较好的途径。由于空间位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种挤压镁合金仪表板管梁设计方法，其特征在于：根据设计要求，在包括承载能力、空间尺寸、连接硬点的基础上考虑仪表板管梁的功能、与车身的连接、占用空间设计仪表板管梁的初步结构、模态分析和刚强度分析结构基本性能，并以这些基本性能不降低为条件、以质量最小为目标、以截面尺寸为变量进行截面优化设计，使设计出的仪表板管梁在满足相关技术要求和法规要求的前提下具有质量最小，制造工艺分析挤压镁合金仪表板管梁各部件的制造可行性，连接工艺分析镁合金仪表板管梁总成中组成零件的连接方式以及仪表板管梁总成与相邻钢制件的连接方法，确保设计出的镁合金仪表板管梁满足低阶振动性能、静态刚强度性能、制造工艺性、连接工艺性。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高云凯，余海燕，高大威，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31