孫正峰，閔西英，李西順

(成都航天模數(shù)股份有限公司，四川成都 610100)

汽車全塑前端框架拓撲優(yōu)化研究

孫正峰，閔西英，李西順

(成都航天模數(shù)股份有限公司，四川成都 610100)

全塑前端框架在汽車輕量化發(fā)展中具有重要作用。建立全塑前端框架拓撲優(yōu)化數(shù)學模型；運用軟件HyperMesh前處理、OptiStruct求解器中的拓撲優(yōu)方法，針對鎖扣剛度、鎖扣強度、散熱器安裝點剛度、一階模態(tài)工況對全塑前端框架進行兩次拓撲優(yōu)化分析。研究結(jié)果表明：第一次拓撲優(yōu)化分析能夠滿足所有目標要求，大大縮短了研發(fā)周期，且第二次拓撲優(yōu)化比第一次拓撲優(yōu)化后的產(chǎn)品質(zhì)量輕19%。

全塑前端框架；拓撲優(yōu)化；輕量化

0 引言

隨著新車市場開發(fā)的快速化發(fā)展，汽車零部件開發(fā)周期急劇縮短。作為汽車重要零部件產(chǎn)品之一的前端框架，其性能指標種類繁多，目標要求也十分嚴格。因此，要在有限的開發(fā)周期內(nèi)設計出滿足所有性能指標且質(zhì)量最優(yōu)化的全塑前端框架，其難度可想而知[1-2]。

作者借助軟件HyperMesh對汽車全塑前端框架進行前處理，運用OptiStruct求解器模塊進行拓撲優(yōu)化分析[3]，通過對全塑前端框架進行兩次拓撲優(yōu)化分析后，得到滿足所有性能工況且質(zhì)量最優(yōu)的造型數(shù)據(jù)，指導3D數(shù)據(jù)設計。用此方法開發(fā)的全塑前端框架同比早期開發(fā)的產(chǎn)品周期更短、質(zhì)量更輕，且結(jié)構滿足所有性能指標[4]。

1 拓撲優(yōu)化數(shù)學模型的建立

連續(xù)體結(jié)構拓撲優(yōu)化數(shù)學模型如公式(1)所示：

(1)

(2)

2 拓撲優(yōu)化有限元模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分

為了反映拓撲優(yōu)化后前端框架加強筋的寬度以及料厚的分布情況，設計前端框架拓撲優(yōu)化分析的單元類型為3D四面體，單元尺寸大小為1.5 mm，其余金屬部件(除拉鉚螺母、嵌件等部件)抽取中面進行四邊形網(wǎng)格劃分，單元尺寸為4.0 mm。

2.2 材料與屬性

計算中所使用的材料參數(shù)見表1，長度單位為mm。全塑前端框架真實應力-應變關系曲線如圖1所示，考慮玻纖取向的影響，因此，其彈性模量選擇玻纖45°方向。

表1 材料參數(shù)

圖1 全塑前端框架真實應力-應變關系曲線

2.3 邊界條件及載荷工況

約束：與車身環(huán)境件安裝孔連接處采用固定約束，金屬部件之間以及前防撞梁的連接采用剛性連接以及焊接處理。

載荷：常溫23 ℃，針對鎖扣剛度，在鎖扣位置處分別沿+X方向和+Z方向施加1 000 N的力；針對鎖扣強度，在鎖扣位置處沿+Z方向施加3 500 N的力；高溫80 ℃，針對散熱器安裝點剛度，在散熱器質(zhì)心位置處分別沿+X方向和-Z方向施加600 N的力[7]。

控制條件：各個工況下全塑前端框架的位移變形和斷裂強度、一階固有頻率。

約束條件：鎖扣剛度，全塑前端框架X向最大變形量不大于7 mm，Z向最大變形量不大于2 mm，最大應力不大于75×0.8=60 MPa；一階固有頻率不小于35 Hz；高溫下，散熱器安裝點最大變形量不大于1 mm。

目標：設計區(qū)域總體積最小。

2.4 拓撲優(yōu)化有限元模型

全塑前端框架拓撲優(yōu)化模型分為設計區(qū)與非設計區(qū)，設計區(qū)即為拓撲優(yōu)化區(qū)，非設計區(qū)為安裝孔位置、空氣過濾器進口位置、所有金屬部件。其拓撲優(yōu)化模型如圖2所示。

圖2 全塑前端框架拓撲優(yōu)化模型

3 分析結(jié)果

3.1 第一次拓撲優(yōu)化分析結(jié)果

通過拓撲優(yōu)化分析，得到全塑前端框架密度分布云圖，將密度結(jié)果分布云圖以STL格式導出，再通過三維軟件進行3D數(shù)據(jù)設計，如圖3所示。

圖3 第一次拓撲優(yōu)化后密度分布云圖及3D數(shù)據(jù)結(jié)果

鎖扣剛度工況，全塑前端框架拓撲優(yōu)化前后變形分布云圖如圖4所示。

圖4 鎖扣剛度工況，全塑前端框架拓撲優(yōu)化前后變形分布云圖

由圖3、圖4可以看出：全塑前端框架密度分布圖為“人”字造型，并且與兩側(cè)橫梁有連接，拓撲優(yōu)化后結(jié)果滿足性能指標，第一次拓撲優(yōu)化設計出的3D數(shù)據(jù)，全塑前端框架質(zhì)量為4.517 kg。

3.2 第二次拓撲優(yōu)化分析結(jié)果

考慮到散熱器進排氣系統(tǒng)的影響，“人”字造型結(jié)構截面過大，因此，需進一步拓撲優(yōu)化，一方面是為了最大限度地實現(xiàn)全塑前端框架的輕量化，另一方面是為了滿足散熱器的排氣量。第二次拓撲優(yōu)化是在第一次3D數(shù)據(jù)上直接進行的，控制條件、約束條件及目標方程與第一次拓撲優(yōu)化相同。拓撲優(yōu)化密度分布云圖及3D數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。

圖5 第二次拓撲優(yōu)化密度分布云圖及3D數(shù)據(jù)結(jié)果

拓撲優(yōu)化后，鎖扣剛度、鎖扣強度、一階模態(tài)如圖6所示。由圖5、圖6可以看出：全塑前端框架密度分布圖同樣為“人”字造型，并且與兩側(cè)橫梁有連接，拓撲優(yōu)化后結(jié)果滿足性能指標，第二次拓撲優(yōu)化后設計出的3D數(shù)據(jù)，全塑前端框架質(zhì)量為3.658 kg，同比第一次3D數(shù)據(jù)減輕19%，且滿足散熱器進排氣量要求。

圖6 不同工況下，拓撲優(yōu)化后全塑前端框架結(jié)果圖

4 結(jié)束語

運用軟件HyperMesh前處理模型、OptiStruct求解器對汽車全塑前端框架結(jié)構進行拓撲優(yōu)化設計，一方面可以指導產(chǎn)品設計，且所設計出的結(jié)構能夠滿足所有性能指標，另一方面可以縮短研發(fā)周期，提升產(chǎn)品在市場中的競爭力，且設計出的結(jié)構能夠最大限度滿足輕量化要求。分析結(jié)論表明：

(1)拓撲優(yōu)化的密度分布云圖STL結(jié)果數(shù)據(jù)可以有效地指導產(chǎn)品進行3D數(shù)據(jù)設計；

(2)運用拓撲優(yōu)化設計，可有效地縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低成本，提高市場競爭力；

(3)在滿足所有性能指標的前提下，為了最大限度地實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化，需進行第二次拓撲優(yōu)化，且第二次拓撲優(yōu)化比第一次拓撲優(yōu)化后的產(chǎn)品質(zhì)量輕19%。

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TopologyOptimizationStudyforAutomobilePlasticFront-endFrame

SUN Zhengfeng，MIN Xiying，LI Xishun

(Chengdu Aerospace Mould & Plastic Co.,Ltd.,Chengdu Sichuan 610100,China)

The plastic front-end frame plays an important role in the development of automobile lightweight. Its topology optimization mathematical model was established; the locking stiffness, locking strength, installation point stiffness of radiator, first-order mode of the plastic front-end frame were analyzed twice through topological optimization method by using software HyperMesh pre-processing and OptiStruct solvers. Research results show that the first topology optimization analysis can meet all the requirements and greatly shorten the development cycle, and the second topology optimization product weight is 19% lighter than that of the first topology optimization.

Plastic front-end frame; Topology optimization; Lightweight

2017-04-05

孫正峰(1985—)，碩士研究生，工程師，主要研究方向為結(jié)構設計與優(yōu)化、碰撞沖擊。E-mail：18000539916@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.008

U463.82+1

A

1674-1986(2017)08-038-04