汽車前端框架上梁拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

李翠萍 孫玉紅 牟雪雷 胡遠(yuǎn)航 宋廣晶 吳亮發(fā)

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

隨著國家節(jié)能減排法規(guī)的實(shí)施，輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為汽車研發(fā)過程中考慮的重要因素。前端框架主要承載冷卻模塊及發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖的作用，隨著集成化程度越來越高，許多零部件都固定在前端框架上[1]。集成化設(shè)計(jì)不但有利于汽車零部件的生產(chǎn)裝配，而且能降低汽車研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期，因此近年來前端框架的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用在業(yè)界已達(dá)成廣泛共識(shí)。前端框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足多種力學(xué)性能要求。文章運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計(jì)前端框架，既滿足力學(xué)性能要求，又達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)降低了整車研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期。

1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)需要對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行結(jié)構(gòu)約束，并施加外部載荷，同時(shí)定義設(shè)計(jì)空間和位移等外界響應(yīng)，最終設(shè)計(jì)出滿足力學(xué)性能要求及輕量化要求的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

1.1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的三要素

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)有設(shè)計(jì)變量、約束條件及目標(biāo)函數(shù)三要素。設(shè)計(jì)變量是提高力學(xué)性能的參數(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)中采用單元密度法；約束條件是對(duì)設(shè)計(jì)的約束限制；目標(biāo)函數(shù)是最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

1.2 靈敏度分析

拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，如果變量函數(shù)不能收斂，則需進(jìn)行靈敏度分析，直到結(jié)果收斂。靈敏度是結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)于設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)，需滿足以下方程：

式中：K——?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

L——單元節(jié)點(diǎn)位移函數(shù)；

F——單元節(jié)點(diǎn)載荷矢量。

兩側(cè)對(duì)設(shè)計(jì)變量X求偏導(dǎo)：

則：

同時(shí)，約束函數(shù)（g）是位移矢量（L）的函數(shù)：

則結(jié)構(gòu)響應(yīng)靈敏度是：

應(yīng)用上述方法進(jìn)行靈敏度分析稱為直接法，直接法進(jìn)行靈敏度分析可以使拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果有效收斂[2]。

1.3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程

采用Optistruct拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。

2 有限元模型建立

2.1 網(wǎng)格劃分

運(yùn)用Hypermesh軟件前處理功能建立前端框架的有限元模型，基本單元尺寸為5 mm，采用四面體高階單元網(wǎng)格，注意調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量，使其無細(xì)小單元和翹曲等問題，有限元模型，如圖2所示。

2.2 材料模型

材料本構(gòu)關(guān)系是有限元分析中重要的計(jì)算參數(shù)，只有輸入準(zhǔn)確的材料參數(shù)才能得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果。在靜態(tài)剛度和強(qiáng)度分析中只需輸入彈性模量、泊松比及體積質(zhì)量。前端框架設(shè)計(jì)一般采用PP玻纖增強(qiáng)材料及PA改性材料，具體選材應(yīng)依據(jù)前端框架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和質(zhì)量選擇，文章模型選用PP-LGF30材料。

2.3 約束的建立

該前端框架通過車身縱梁與防撞梁的夾持面安裝，如圖2所示，前端框架左右側(cè)邊梁各有4個(gè)安裝點(diǎn)，采用boundary約束各安裝點(diǎn)的6個(gè)自由度。

2.4 定義設(shè)計(jì)變量

上梁主鎖位置的剛度和強(qiáng)度是前端框架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，因此文章主要研究前端框架上梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖2所示，上梁粉紅色部分為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)空間，綠色部分為非設(shè)計(jì)空間。設(shè)計(jì)的最小單元應(yīng)依據(jù)網(wǎng)格尺寸設(shè)定，同時(shí)還要定義前端框架的拔模方向。

2.5 定義響應(yīng)

前端框架上梁設(shè)計(jì)需考慮體積響應(yīng)和位移響應(yīng)。體積響應(yīng)定義volume為最小，以保證材料恰當(dāng)?shù)夭荚O(shè)于力的傳遞路徑，從而保證材料最節(jié)?。晃灰祈憫?yīng)保證前端框架主鎖施加拉力時(shí)上梁變形在允許范圍內(nèi)。

2.6 載荷工況及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.6.1 載荷工況

對(duì)前端框架上梁主鎖處中心點(diǎn)施加Z向600 N作用力。

2.6.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

前端框架加載點(diǎn)Z向變形小于1.2 mm，既剛度大于500 N/mm。

3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

針對(duì)前端框架上邊梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，得到如圖3所示的筋位云圖。如果僅保留設(shè)計(jì)空間，拓?fù)鋬?yōu)化后設(shè)計(jì)空間筋位云圖，如圖4所示。

4 拓?fù)鋬?yōu)化與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

4.1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3和圖4前端框架上梁的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行筋位優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到如圖5所示的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

注意：拓?fù)鋬?yōu)化分析云圖僅代表結(jié)構(gòu)的主要支撐方式，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以拓?fù)鋬?yōu)化云圖為依據(jù)，結(jié)合前端框架的實(shí)際情況進(jìn)行筋位布設(shè)。

4.2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，前端框架上梁筋位一般均勻布設(shè)。文章拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)上梁采用14根筋位，為了便于性能對(duì)比，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式同樣采用14根筋位均勻布設(shè)，前端框架上梁傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)云圖，如圖6所示。

5 分析結(jié)果對(duì)比

將前端框架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比，分析結(jié)果，如圖7～10所示。

前端框架力學(xué)分析結(jié)果，如表1所示，從表1可以看出：拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)加載點(diǎn)Z向變形最大為1.095 mm，上梁最大變形為1.115 mm，最大應(yīng)力為12.22 MPa，均滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)加載點(diǎn)Z向變形最大為1.372 mm，上梁最大變形為1.468 mm；最大應(yīng)力為14.443 MPa，該設(shè)計(jì)方法上梁的剛度較小，加載點(diǎn)位移超出力學(xué)性能要求。

表1 前端框架力學(xué)分析結(jié)果

6 結(jié)論

采用拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計(jì)前端框架，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中完全依賴經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過軟件分析計(jì)算，給出前端框架初步的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員經(jīng)過細(xì)化設(shè)計(jì)，得出完整的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。拓?fù)鋬?yōu)化大大降低了前端框架設(shè)計(jì)的難度和周期。

國內(nèi)某車企在進(jìn)行前端框架設(shè)計(jì)過程中，正是運(yùn)用了OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用該方法設(shè)計(jì)的前端框架，其筋位合理地布設(shè)于力的傳遞路徑，節(jié)約了材料，經(jīng)ABAQUS軟件分析證實(shí)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的前端框架各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足相關(guān)要求。拓?fù)鋬?yōu)化是一種高效的設(shè)計(jì)方法。