劉陽(yáng)，李瑞生，徐晶才

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

前言

為應(yīng)對(duì)汽車燃料消耗快速增長(zhǎng)及由此引起的能源和環(huán)境問(wèn)題，國(guó)家制定了到 2020年乘用車平均燃料消耗量達(dá)到5L/100km的目標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車每減輕其總重量的10%，燃油消耗量可降低6%～8%[1]。減輕汽車重量正是面對(duì)這一挑戰(zhàn)的必由之路。為此近年來(lái)前端模塊在汽車上的應(yīng)用數(shù)量也大量增加，汽車上使用塑料前端模塊是重要發(fā)展趨勢(shì)。前端模塊按成型工藝分為金屬模塊、復(fù)合模塊及純塑模塊。當(dāng)前自主汽車上的前端模塊應(yīng)用仍然不夠成熟，通常使用塑料本體加鈑金加強(qiáng)件的復(fù)合前端模塊。

本文通過(guò)使用 OptiStruct將復(fù)合前端模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)為薄壁化全塑前端模塊，并從零件數(shù)目、重量、成本、性能等方面闡述了全塑前端模塊支架的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，為今后全塑前端模塊的全面應(yīng)用提供借鑒。

1 復(fù)合前端模塊設(shè)計(jì)

塑料前端框架在設(shè)計(jì)之初，需要對(duì)開(kāi)發(fā)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)定。首先根據(jù)總布置和工藝需求確定前端模塊需要集成下列零件：散熱器總成、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖、防撞梁和大燈支架。前端模塊材料選用PP-LGF30.材料屬性如表1所示：

表1 PP-LGF30材料屬性

經(jīng)過(guò)多輪設(shè)計(jì)，制作出了復(fù)合前端模塊的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，整個(gè)前端模塊系統(tǒng)見(jiàn)圖1。其中前端模塊包括一個(gè)塑料本體和7個(gè)鈑金加強(qiáng)件，總重量為7.46kg。

圖1 前端模塊系統(tǒng)

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 形狀概念優(yōu)化

考慮到當(dāng)前口字形前端模塊在發(fā)蓋發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖位置強(qiáng)度不足，增加八字形加強(qiáng)筋。調(diào)整注塑本體形狀，增加整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。優(yōu)化后數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2：

圖2 純塑前端模塊概念數(shù)據(jù)

2.2 OptiStruct介紹

過(guò)去設(shè)計(jì)時(shí)往往基于過(guò)往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)完成后進(jìn)行CAE分析，再根據(jù)CAE分析結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，循環(huán)至CAE分析合格，需要多次試錯(cuò)迭代，同時(shí)實(shí)際設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)往往會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度過(guò)剩。OptiStruct是一款優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，它以有限元方法作為數(shù)值計(jì)算方法，并帶有強(qiáng)大的優(yōu)化算法，可以用于概念設(shè)計(jì)和細(xì)化設(shè)計(jì)。它的主要優(yōu)化設(shè)計(jì)功能包括：拓?fù)鋬?yōu)化，尺寸優(yōu)化，形狀優(yōu)化和形貌優(yōu)化，可以使優(yōu)化設(shè)計(jì)更加方便、穩(wěn)健和精確可靠，幫助工程師減少試錯(cuò)迭代，從而縮短設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試時(shí)間。

2.3 壁厚優(yōu)化

過(guò)去前端模塊設(shè)計(jì)一般采用等壁厚設(shè)計(jì)，再根據(jù) CAE的分析結(jié)果手工進(jìn)行局部壁厚優(yōu)化，設(shè)計(jì)壁厚一般為3mm。而此次設(shè)計(jì)采用了 OptiStruct來(lái)進(jìn)行基于軟件的自動(dòng)變壁厚設(shè)計(jì)。首先將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到HyperMesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后定義殼單元的厚度，將本體的厚度設(shè)置為2.5mm，加強(qiáng)筋的厚度設(shè)置為 2mm，局部安裝點(diǎn)的厚度設(shè)置為 5mm。其重量為 3.8Kg。然后按照前端模塊的性能要求對(duì)數(shù)據(jù)加載進(jìn)行分析計(jì)算。

圖3 前端模塊網(wǎng)格加載分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算，在鎖極限拉力測(cè)試時(shí)局部應(yīng)力超差，導(dǎo)致材料屈服，不滿足性能要求。保險(xiǎn)杠面罩安裝點(diǎn)剛度上，變形量大于設(shè)計(jì)許可的最大變形量，局部結(jié)構(gòu)的剛度不能滿足要求。數(shù)據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

將不同位置殼單元的屬性進(jìn)行細(xì)分并將其厚度設(shè)定為設(shè)計(jì)優(yōu)化變量。設(shè)定范圍為0.1mm至5mm，變化檔位為0.5mm。屬性細(xì)分設(shè)定完成后的模型如下圖4所示。

圖4 前端模塊支架壁厚優(yōu)化分析模型

圖5 壁厚優(yōu)化后的數(shù)據(jù)

2.4 拓?fù)鋬?yōu)化

經(jīng)過(guò)壁厚優(yōu)化的數(shù)據(jù)可以繼續(xù)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。主要是根據(jù)注塑成型工藝的需求，調(diào)整部分不合理的壁厚及優(yōu)化部分加強(qiáng)筋的形狀和布置。在Feasible Design的優(yōu)化結(jié)果中，根據(jù)單元中的材料密度分布來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)密度值為1時(shí)（紅色區(qū)域），表示此區(qū)域需要材料最多，此區(qū)域產(chǎn)品壁厚保證不變或增加。而密度值為0.01時(shí)（藍(lán)色區(qū)域），代表此區(qū)域需要材料最少，此區(qū)域產(chǎn)品壁厚可以減少或者將產(chǎn)品局部切去。按照此原則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化之后前端模塊的重量達(dá)到 4.5Kg，材料得到了最大化的利用。

圖6 單元材料密度分布

3 CAE驗(yàn)證

按照前端模塊的實(shí)際裝車條件，需要對(duì)前端模塊進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及模態(tài)的專項(xiàng)CAE分析。具體項(xiàng)目包括：鎖極限拉力測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋接觸部位剛度、保險(xiǎn)杠面罩安裝點(diǎn)剛度、散熱器安裝點(diǎn)剛度、大燈安裝點(diǎn)剛度、發(fā)蓋鎖安裝點(diǎn)剛度及模態(tài)計(jì)算。部分CAE分析結(jié)果如下圖所示。所有CAE分析項(xiàng)目均能滿足目標(biāo)要求。純塑前端模塊設(shè)計(jì)完成。

圖7 鎖極限拉力測(cè)試

圖8 發(fā)蓋鎖安裝點(diǎn)剛度

圖9 模態(tài)測(cè)試

4 對(duì)比分析

根據(jù)復(fù)合前端模塊與全塑前端模塊的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，從零件數(shù)目、重量、成本進(jìn)行了對(duì)比，全塑前端模塊支架極大的減少了總成下零件的數(shù)量，重量減少39%，成本降低25%，相對(duì)于復(fù)合前端模塊有了極大的提高。

表3 復(fù)合與全塑前端模塊對(duì)比

5 結(jié)論

（1）通過(guò)使用OptiStruct來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)可以減少試錯(cuò)迭代，使設(shè)計(jì)變得更加精確、快速，提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（2）在保證性能達(dá)標(biāo)的前提下可以將復(fù)合前端模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)為全塑前端模塊。

（3）全塑前端模塊相對(duì)于復(fù)合前端模塊減少了總成下零件的數(shù)量，重量減少39%，成本降低25%。

參考文獻(xiàn)

[1] Benedyk J.Light Metal in Automotive Applications[J].Light Metal Age,2000,58(10):34-35.

[2] 張勝蘭等編著.基于 HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.