闞洪貴，唐程光，李鐵柱

基于Optistruct的全塑汽車前端模塊拓撲優(yōu)化設(shè)計

闞洪貴，唐程光，李鐵柱

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

塑料前端模塊技術(shù)是關(guān)鍵汽車輕量化技術(shù)的之一。文章針對某車型全塑前端模塊結(jié)構(gòu)，通過采用拓撲優(yōu)化的方法，并結(jié)合折衷算法展開多目標(biāo)的拓撲優(yōu)化設(shè)計，得到全塑前端模塊的最優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)。最終通過仿真分析驗證，優(yōu)化后的前端模塊在滿足設(shè)計目標(biāo)的前提下實現(xiàn)輕量化。

拓撲優(yōu)化；前端模塊；輕量化；仿真分析

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-99-04

引言

汽車輕量化是解決“節(jié)能”、“安全”、“環(huán)?！钡淖钣行侄沃弧Ｑ芯勘砻?，汽車每降低100 kg，可節(jié)省燃油0.3～0.5 L/100km，可減少二氧化碳排放8～11 kg/100km[1]。隨著材料科學(xué)技術(shù)的進步，“以塑代鋼”技術(shù)在汽車上應(yīng)用越來越廣泛，汽車前端結(jié)構(gòu)的塑料化是“以塑代鋼”技術(shù)在汽車的應(yīng)用的典型案例。

汽車前端結(jié)構(gòu)在行業(yè)內(nèi)通常稱為前端模塊。目前，汽車行業(yè)內(nèi)的前端模塊根據(jù)材質(zhì)劃分為金屬骨架、混合骨架、組合骨架、純塑骨架四大類。其中，純注塑骨架又可稱之為全塑前端模塊，其輕量化優(yōu)勢最為明顯，但由于全塑結(jié)構(gòu)，要達到足夠的結(jié)構(gòu)強度，需要在材料和結(jié)構(gòu)進行考慮，往往需要選用性能更好的材料和需要一定的空間做加強結(jié)構(gòu)[2]。

本文針對某車型的前端鋼制結(jié)構(gòu)，提取前端模塊的性能指標(biāo)，采用拓撲優(yōu)化方法完成前端模塊的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于此拓撲結(jié)構(gòu)的前端模塊在性能不降低的前提下相對優(yōu)化前全塑前端模塊實現(xiàn)重量降低約5.7%，相對傳統(tǒng)鋼制前段結(jié)構(gòu)實現(xiàn)重量降低約38.7%，最終通過仿真驗證了改進方案的有效性。

1 某車型前端模塊設(shè)計概述

某車型的前端模塊采用全塑設(shè)計方案，集成了前大燈（⑥）、散熱器（⑧）、冷凝器（⑦）、油冷器（⑤）、發(fā)動機蓋鎖（②）、喇叭（④）、前防撞梁（①）等七大類主要部件，集成部件如下圖1所示。

根據(jù)前端模塊集成的零部件，結(jié)合汽車的服役情況，該全塑前端模塊服役的主要工況為以下4類：

（1）發(fā)動機蓋鎖固定區(qū)域極限拉伸：前端模塊上部集成了發(fā)動機蓋鎖體，發(fā)動機蓋前部通過該鎖體連接到前端模塊上，再通過前端模塊固定到車體上。在車輛使用過程中，前端模塊會受到高速氣流作用于發(fā)動機蓋的極限開啟拉伸載荷，該載荷最大達5300N。

圖1 前端模塊和周邊零部件

（2）散熱器支撐：散熱器通過前端模塊上集成安裝點安裝在前端模塊上，且散熱器為集成部件中重量最大的部件，因此，前端模塊在服役過程中要確保散熱器的正常工作。

（4）翼子板Y方向支撐：一般情況下，翼子板前部安裝點會設(shè)置在前端模塊上，翼子板在安裝過程中需確保前端模塊不被破壞。

（5）上邊梁慣性沖擊：車輛在緊急制動或者急加速過程中散熱器、冷凝器等安裝部件對前端模塊上下橫梁產(chǎn)生一定沖擊，由于散熱器、冷凝器等安裝部件與前端模塊固定點的位置關(guān)系，使得前端模塊上邊梁承受的沖擊載荷最大。因此，前端模塊的上邊梁需要具備一定剛度。

當(dāng)然，對于汽車前端模塊，其服役工況還有模態(tài)、耐振性等。根據(jù)上述前端模塊的服役情況，提取前端模塊性能目標(biāo)如下表1所示。

表1 前端模塊性能目標(biāo)

2 前端模塊拓撲優(yōu)化設(shè)計

2.1 拓撲優(yōu)化空間設(shè)計

為了尋求最有效、最合理的前端模塊載荷路徑，基于整車總布置要求對其設(shè)計空間進行了最大化設(shè)計，設(shè)計空間主要包括前端模塊主體和兩端支架部分。在前端模塊所占據(jù)的三維空間中，針對主體部分去除了散熱器、前保險杠吸能盒、前縱梁和發(fā)動機罩鎖體等部件占據(jù)的部分，同時將前端模塊的安裝區(qū)域分離開來作為非設(shè)計空間，主要用于與周邊結(jié)構(gòu)的連接，其余則為拓撲優(yōu)化設(shè)計空間，如圖2所示。

圖2 前端模塊設(shè)計空間

2.2 優(yōu)化模型建立

前端模塊結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化是結(jié)合有限元方法實現(xiàn)的，首先建立了前端模塊設(shè)計空間的有限元模型，如圖3所示。本文主要采用Altair公司開發(fā)的Hypermesh軟件完成有限元模型的建立，設(shè)計和非設(shè)計空間采用了四面體實體單元建模，設(shè)計和非設(shè)計空間之間采用共節(jié)點方式進行連接，單元平均尺寸為8 mm。設(shè)計和非設(shè)計空間材料均采用了彈性材料模型，材料彈性模量為5300 MPa，泊松比為0.36，密度為1.2e-3 kg/m3。

圖3 前端模塊設(shè)計空間有限元模型

2.3 載荷和位移邊界條件施加

根據(jù)表1所示的4個主要工況，進行各工況載荷和位移邊界條件施加。具體如下：

（1）發(fā)動機蓋鎖體固定區(qū)域極限加載工況，在發(fā)動機蓋鎖體固定區(qū)域沿Z方向加載5300N的載荷，散熱器兩端支架和縱梁連接處施加6個自由度的位移約束。

（2）散熱器Z方向加載工況，在兩個散熱器下部安裝點沿-Z方向分別施加350N載荷，在兩個上部安裝點沿X方向分別施加150N載荷。散熱器兩端支架和縱梁連接處施加6個自由度的位移約束。

（3）翼子板Y方向加載工況，在散熱器兩側(cè)支架安裝處沿-Y/+Y處分別施加300N載荷。散熱器縱梁連接處施加6個自由度的位移約束。

（4）上邊梁X方向加載工況，在散熱器上邊梁中間位置施加250N載荷。散熱器兩端支架和縱梁連接處施加6個自由度的位移約束。

2.4 單工況拓撲優(yōu)化分析

為了獲得基于折衷算法的多目標(biāo)拓撲優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中需要的各工況的相關(guān)參數(shù)，首先完成了單工況下前端模塊拓撲優(yōu)化分析。本文使用Altair公司的Optistruct優(yōu)化軟件完成了整個優(yōu)化設(shè)計，同時考慮到后期新結(jié)構(gòu)具有較強的可制造，在拓撲優(yōu)化過程中增加了對稱約束和脫模約束，最終得到了四種工況下的結(jié)構(gòu)拓撲。

以工況1為例進行說明。發(fā)動機蓋鎖體固定區(qū)域極限加載工況下，優(yōu)化后結(jié)果如圖4所示，優(yōu)化前柔度值為1021.6 N·mm，優(yōu)化過程經(jīng)歷36步迭代，優(yōu)化后柔度值為313.3 N·mm。由拓撲結(jié)果可以看出，該工況下載荷作用在前端模塊上邊梁中間發(fā)動機蓋鎖體固定區(qū)域，縱梁連接對模塊起到了足夠的支撐作用，兩端支架和下部的材料對該性能影響很小，材料被全部去除，上邊梁上端和與前縱梁的搭接區(qū)域為主要的載荷承載路徑需要重點設(shè)計。

圖4 發(fā)動機蓋鎖體固定區(qū)域極限加載工況下優(yōu)化結(jié)果

最終獲得4個工況的拓撲優(yōu)化結(jié)果如下表2所示。

表2 單個工況下柔度值

2.5 基于折衷算法的拓撲優(yōu)化設(shè)計

針對前端模塊結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，考慮四個工況條件下的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如式（1）所示。

式中，C1，C2，C3和C4分別為發(fā)動機蓋鎖體固定區(qū)域極限拉力工況，散熱器Z向支撐工況、翼子板Y方向支撐工況和上邊梁X方向支撐工況四種工況下的柔度值；，，和分別為四種工況下單獨迭代優(yōu)化條件下的最優(yōu)值和初始值；α1，α2，α3，α4為四種工況下子目標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)每個工況的重要性選取權(quán)重；Δ為優(yōu)化預(yù)留的體積分數(shù)；V0為優(yōu)化區(qū)域的初始體積。

綜合考慮各工況下性能要求的重要性，選取了α1=α 4=0.35和α2=α3=0.35，約束體積分數(shù)Δ=0.3，帶入式（1）得到了最終的多工況下拓撲優(yōu)化模型，如下圖5所示。

圖5 基于多工況的拓撲優(yōu)化結(jié)果

3 前端模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真驗證

3.1 前端模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)圖5所示的拓撲優(yōu)化結(jié)果，上部上邊梁區(qū)域材料分布較多，內(nèi)部還有加強筋材料分布，需要重點設(shè)計，該區(qū)域為主要的承載結(jié)構(gòu)；對于下部下邊梁和側(cè)面支架區(qū)域材料分布較少，主要起到針對小型零部件的支撐作用，對于部分車型翼子板前部安裝點不設(shè)計在此處的情況時，前端模塊的側(cè)面支架可以不設(shè)計，輕量化效果更為顯著；而針對框架中間結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，由于材料分布本身厚度方向尺寸較小，主要為小型零部件支撐，可以重點設(shè)計中部斜梁結(jié)構(gòu)。根據(jù)以上結(jié)果初步確定了該車型前端模塊的總體框架如圖6所示。結(jié)合注塑工藝，進而完成全塑前端模塊詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖7所示。

圖6 前端模塊總體框架結(jié)構(gòu)

圖7 前端模塊詳細結(jié)構(gòu)

3.2 仿真分析驗證

根據(jù)優(yōu)化的前端模塊詳細結(jié)構(gòu)，建立有限元分析模型，進行剛度、強度分析。結(jié)果如下表3所示：

表3 前端模塊優(yōu)化前后性能對比

優(yōu)化后的全塑前端模塊相對優(yōu)化前的前端模塊在性能上略有下降，但均滿足性能目標(biāo)要求。同時實現(xiàn)5.7%的減重，相對原始鋼制結(jié)構(gòu)8.02kg，則實現(xiàn)減重38.7%。

4 結(jié)論

拓撲優(yōu)化方法應(yīng)用在模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計中，同時基于折衷算法的拓撲優(yōu)化，可實現(xiàn)基于多工況的拓撲優(yōu)化，在得到合理的拓撲結(jié)構(gòu)的同時達成輕量化的要求。

[1] 趙高明.前端支架的模塊化發(fā)展[J].技術(shù)與市場,2010,7（2）：35-39.

[2] 王琛.汽車模塊化之前端模塊概述[A].“廣汽部件杯”廣東省汽車行業(yè)第六期學(xué)術(shù)論文集[C]．廣東∶廣東省汽車行業(yè)協(xié)會,2011：1-5.

Topology Optimization Design of Full Plastic Front End Module Based on Optistruct

Kan Honggui, Tang Chengguang, Li Tiezhui
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

Plastic front-end module technology is one of the key automotive lightweight technology.In this paper, based on the full plastic front end module, the topology optimization method is proposed by using the topological optimization method and the multi-objective topology optimization design with the compromise algorithm. Finally, the simulation results show that the optimized front end module to meet the design goals under the premise of lightweight.

Topology Optimization; Front End Module; Lightweight; Simulation Analysis

U467.1

A

1671-7988 (2017)16-99-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.035

闞洪貴，(1983-)，男，本科，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心。主要研究方向：汽車車身設(shè)計。