嚴(yán)衛(wèi)衛(wèi)　張?jiān)魄?/p>

摘 要：隨著塑料材料性能的日益提升，汽車(chē)零部件塑料化是汽車(chē)輕量化的主要手段之一。文章針對(duì)某車(chē)型的全塑前端模塊結(jié)構(gòu)，根據(jù)前端模塊的性能指標(biāo)，利用仿真分析完成前端模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在前端模塊性能基本不降低的前提下，整個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)重量降低10%左右，最終達(dá)到降低零件重量和成本的要求。

關(guān)鍵詞：前端模塊;全塑;輕量化;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.8 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）03-65-03

前言

汽車(chē)輕量化是解決“節(jié)能”、“安全”、“環(huán)?！钡淖钣行侄沃?。研究表明，汽車(chē)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]。汽車(chē)零部件日益向輕量化、模塊化方向發(fā)展。其中，前端模塊更是研究應(yīng)用的重要課題之一。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是為了滿足設(shè)計(jì)中使材料用量最少、成本達(dá)到最低、工藝步驟最簡(jiǎn)單的最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)。從工程設(shè)計(jì)角度，結(jié)構(gòu)優(yōu)化可分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及拓?fù)鋬?yōu)化三個(gè)層次[2]。尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化已經(jīng)得到充分的發(fā)展，在航空、航天、橋梁、汽車(chē)等一些領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

1 初始方案設(shè)計(jì)

1.1 方案設(shè)計(jì)

某車(chē)型采用全塑前端模塊設(shè)計(jì)方案，選用玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料。用由長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)的聚丙烯材料通過(guò)整體注塑成型得到的支架。其強(qiáng)度高、耐沖擊性能好、耐高低溫性能優(yōu)異。同時(shí)成本也比較低[4-5]。此前端模塊設(shè)計(jì)集成冷卻模塊、機(jī)蓋鎖、前防撞梁、前大燈支架、前大燈、喇叭等零件，前端模塊總成如圖1所示。

初始設(shè)計(jì)方案，前端模塊主體框架厚度3.0mm，加強(qiáng)筋厚度2.0-3.0mm，重量為3.1kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 初始設(shè)計(jì)方案CAE分析

2.1.1 CAE仿真分析

此次分析運(yùn)用HyperMesh進(jìn)行前處理，提取前端模塊中性面殼單元，運(yùn)用OptiStruct求解器進(jìn)行分析[6]，有限元模型如圖2所示：

由于分析工況較多，選取部分工況，分別為機(jī)蓋鎖Z向極限拉伸和機(jī)蓋鎖Z向剛度，分析結(jié)果云圖如圖3，圖4所示。其余工況分析結(jié)果如下表1所示：

此前端模塊初版方案分析結(jié)果顯示所有指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，最大應(yīng)力與位移都遠(yuǎn)低于要求，說(shuō)明前端模塊有較大的優(yōu)化空間，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化繼續(xù)減重提高材料的利用率。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 優(yōu)化方法選擇

為了進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低前端模塊重量，本文結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化方法，根據(jù)前端模塊多工況下受力載荷情況下進(jìn)行分析，在滿足性能指標(biāo)的條件下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化達(dá)到降低前端模塊的重量。

采用變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化，變密度法（Variable Density Method）是1993年Mlejnek在受均勻化方法的啟發(fā)下提出的，它開(kāi)啟了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化又一個(gè)高效的數(shù)學(xué)方法。變密度法將拓?fù)鋬?yōu)化在0和1之間的取舍離散性問(wèn)題轉(zhuǎn)換為在0～1 之間取值連續(xù)的優(yōu)化問(wèn)題。其中，0表示結(jié)構(gòu)中無(wú)材料填充，1表示結(jié)構(gòu)為實(shí)體單元，0～1之間表示結(jié)構(gòu)為過(guò)渡材料（灰度單元）。為了消除灰度單元使結(jié)構(gòu)滿足最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，引入懲罰因子對(duì)偽密度在0～1之間的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行懲罰，使拓?fù)鋬?yōu)化模型更好的逼近0或者1的離散優(yōu)化模型。以體積為約束條件，結(jié)構(gòu)最小柔度為目標(biāo)函數(shù)，變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化模型可表示為：

式中，x為單元偽密度，C為結(jié)構(gòu)柔度，F(xiàn)為結(jié)構(gòu)載荷，K為總剛度矩陣，U為結(jié)構(gòu)總體位移，k0和ue分別為單元?jiǎng)偠染仃嚭蛦卧灰凭仃嚕琭為體積分?jǐn)?shù)，V（x）為保留的體積，V0為初始的材料體積。p為懲罰因子。設(shè)計(jì)變量下限值通常取xmin = 0.001，可以有效地避免剛度矩陣產(chǎn)生奇異。

2.2.2 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程主要有：定義拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域、確定目標(biāo)函數(shù)和約束條件、采用合理的優(yōu)化算法、判斷收斂性、查看優(yōu)化結(jié)果，流程圖如圖5所示。

根據(jù)前端模塊工況要求，建立拓?fù)鋬?yōu)化分析模型，以質(zhì)量最輕為目的，在滿足剛度和強(qiáng)度條件下，以單元密度為設(shè)計(jì)變量，位移和強(qiáng)度為約束條件，對(duì)前端模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

2.2.3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化，得到前端模塊密度分布云圖如圖6所示，由結(jié)果可以看到機(jī)蓋鎖安裝區(qū)域材料對(duì)性能的影響很大，兩側(cè)豎梁前端模塊安裝點(diǎn)中間部分以及下橫梁中間部分材料對(duì)性能的影響很小，此區(qū)域可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.2.4 CAE分析驗(yàn)證

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果以及結(jié)合前端模塊成型、尺寸翹曲控制等對(duì)前端模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，主要進(jìn)行了部分區(qū)域厚度的調(diào)整、加強(qiáng)筋布置走向以及更改部分結(jié)構(gòu)，針對(duì)優(yōu)化后的詳細(xì)3D結(jié)構(gòu)，建立CAE分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如下表2所示：

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的全塑前端模塊性能比原始方案稍有降低，所有性能指標(biāo)滿足要求，同時(shí)重量相對(duì)初始方案減重0.3kg，實(shí)現(xiàn)減重9.7%。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化分析，在滿足前端模塊性能的條件下，得到前端模塊的受力路徑，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

（2）利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)可以有效的提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，合理利用材料，最大限度滿足輕量化要求，為以后的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

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