CAE分析在汽車塑料前端框架的應(yīng)用

周桂蓮

（東南（福建）汽車工業(yè)有限公司，福建 福州 350119）

1 概述

汽車前端框架主要承載冷卻模塊及發(fā)動機罩鎖等總成零部件。隨著汽車制造技術(shù)向模塊化、集成化、輕量化方向發(fā)展[1]，許多零部件都固定在前端框架上[2]，要求鋼制前端框架既要滿足功能性要求，還要輕量化。研究顯示，汽車的自身重量每減少10%，燃油的消耗可降低6%-8%[3]。傳統(tǒng)的前端框架都采用鈑金結(jié)構(gòu)，具有系統(tǒng)零件多，重量大的缺點，以塑料前端框架取代傳統(tǒng)鈑金的散熱器框架，減重效果明顯，并且還可減少大量的零部件。以塑代鋼對前端框架的力學(xué)性能要求很高[4]，因此前端框架的強度是設(shè)計開發(fā)中的關(guān)鍵。

本文以D車型前端框架為例，對其力學(xué)性能進行研究，經(jīng)過不斷優(yōu)化最終滿足結(jié)構(gòu)性能指標。

2 研究方法

利用CAE分析技術(shù)進行力學(xué)性能分析，找出受力薄弱點，對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，在規(guī)定的試驗環(huán)境下，對前端框架進行力學(xué)性能試驗，包括發(fā)蓋鎖區(qū)強度、發(fā)蓋緩沖塊配合面剛度等，進一步驗證了前端框架產(chǎn)品設(shè)計合理性。

3 CAE仿真分析

3.1 建模與網(wǎng)格劃分

圖1為某D車型的前端框架，運用Hypermesh軟件建立前端框架的網(wǎng)格模型，劃分為700000個網(wǎng)格單元。

3.2 材料與屬性

材料塑件本體材料設(shè)定為PP+GF30，鈑金補強件材料設(shè)定為DC03。表1為前端框架部件材料常溫下的相關(guān)物性參數(shù)。

表1 常溫下材料及相關(guān)物性參數(shù)

3.3 車體約束條件

根據(jù)實車裝配情況，對塑料及邊界鈑金件進行約束限制，即牛角支架處約束4個自由度（左右對稱），發(fā)鎖蓋支架和大梁位置約束6個自由度（左右對稱），前端框架約束點設(shè)置如圖1所示。

圖1 前端框架約束位置示意圖

3.4 靜力荷載分布

發(fā)蓋鎖沿著-Z方向施加4500N作用力，模擬常態(tài)下汽車引擎蓋對鎖的沖擊力；發(fā)蓋鎖沿著+X方向施加2000N作用力，模擬發(fā)生碰撞發(fā)動機艙破壞時車體引擎蓋對鎖的作用力；緩沖塊A、緩沖塊B位置沿著-Z方向施加1000N作用力，模擬常態(tài)下前端框架支撐引擎蓋的剛度。具體荷載分布位置如圖2所示。

圖2 前端框架荷載分布圖

3.5 評價標準

發(fā)蓋鎖沿著-Z方向施加4500N作用力，前端框架內(nèi)部應(yīng)力小于材料的屈服強度，發(fā)蓋鎖區(qū)無斷裂，失效；發(fā)蓋鎖沿著+X方向施加2000N作用力，前端框架內(nèi)部應(yīng)力小于材料的屈服強度，發(fā)蓋鎖區(qū)無斷裂，失效；緩沖塊A、緩沖塊B位置沿著-Z方向施加1000N作用力，變形量不超過2mm。

3.6 分析結(jié)果

3.6.1 發(fā)蓋鎖剛度分析

從表2發(fā)蓋鎖強度分析結(jié)果可以知道，發(fā)蓋鎖在-Z方向施加4500N，+X方向施加2000N合力后，加載點位移為12.83 mm，超過目標值10mm，鈑金支架處最大應(yīng)力大于240MPa，超過了材料的屈服極限，無法滿足要求。圖3為發(fā)蓋鎖受到-Z和-+X方向荷載應(yīng)力分布圖。

圖3 發(fā)蓋鎖-Z、+X方向荷載應(yīng)力分布圖

表2 發(fā)蓋鎖強度分析結(jié)果

拆解-Z和+X方向進行受力分析：發(fā)蓋鎖沿著-Z方向施加4500N力后，加載點位移為6.772 mm，未超過目標值10mm，鈑金支架處最大應(yīng)力大于240MPa，超過了材料的屈服極限，將發(fā)生塑性變形，主要集中在發(fā)蓋鎖鈑金支架上端部位。圖4為發(fā)蓋鎖-Z方向荷載應(yīng)力分布圖。發(fā)蓋鎖沿著+X方向施加2000N力后，加載點位移為7.295 mm，未超過目標值10mm，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均滿足強度和剛度要求。圖5為發(fā)蓋鎖+X方向荷載應(yīng)力分布圖。

圖4 發(fā)蓋鎖-Z方向荷載應(yīng)力分布圖

圖5 發(fā)蓋鎖+X方向荷載應(yīng)力分布圖

3.6.2 發(fā)蓋緩沖塊剛度

從表3發(fā)蓋鎖強度分析結(jié)果可以知道，發(fā)蓋緩沖塊A區(qū)域沿著-Z方向施加1000N力后，左右側(cè)加載點位移為0.37 mm，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均滿足強度和剛度要求。圖6和圖7分別為發(fā)蓋左右側(cè)緩沖塊A應(yīng)力分布圖。發(fā)蓋緩沖塊B區(qū)域沿著-Z方向施加1000N力后，加載點位移為左側(cè)為2.242 mm，右側(cè)為2.881 mm，超過目標值2mm，最大應(yīng)力大于240MPa，超過了材料的屈服極限，將發(fā)生塑性變形，應(yīng)力最大位置主要集中在中間鈑金支架上。圖8和圖9分別為發(fā)蓋左右側(cè)緩沖塊B應(yīng)力分布圖。

圖6 緩存塊A應(yīng)力分布（左側(cè)）

圖7 緩存塊A應(yīng)力分布（右側(cè)）

圖8 緩存塊B應(yīng)力分布（左側(cè)）

圖9 緩存塊B應(yīng)力分布（右側(cè)）

表3 發(fā)蓋緩沖塊分析結(jié)果

4 前端框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

4.1 前端框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從CAE分析結(jié)果可以看出前端框架上橫梁剛度低，強度差位置主要在發(fā)蓋鎖鈑金支架在-Z方向，最大應(yīng)力值已超過鈑金材料的屈服極限，容易產(chǎn)生破裂。因此，對發(fā)蓋鎖鈑金支架進行如下優(yōu)化（如圖10所示）：

圖10 優(yōu)化后鈑金支架

4.1.1 板厚由1.5 mm增加至1.6 m；

4.1.2 上方端部加寬，并強化折邊，另增2螺釘鎖付至前端框架上。

4.2 結(jié)果分析

針對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再次進行力學(xué)性能分析，控制條件、約束條件和優(yōu)化前一致。

4.2.1 發(fā)蓋鎖剛度分析

分析結(jié)果如表4，發(fā)鎖蓋處受力后最大應(yīng)變值為7.5 mm，最大應(yīng)力233MPa，相關(guān)參數(shù)均可滿足力學(xué)性能要求。

表4 發(fā)蓋鎖強度優(yōu)化后分析結(jié)果

4.2.2 發(fā)蓋緩沖塊剛度

發(fā)蓋緩沖塊A區(qū)域沿著-Z方向施加1000N力后，左右側(cè)加載點位移分別為0.39 和0.4 mm，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均滿足強度和剛度要求。發(fā)蓋緩沖塊B區(qū)域沿著-Z方向施加1000N力后，左右側(cè)加載點位移分別為1.54 mm和1.42 mm，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均滿足強度和剛度要求。

5 試驗驗證

在規(guī)定的試驗環(huán)境下，對前端框架實物進行力學(xué)性能試驗，包括發(fā)蓋鎖區(qū)強度、發(fā)蓋緩沖塊配合面剛度等。

6 結(jié)論

本文以某D車型前端框架為例，運用CAE分析技術(shù)對發(fā)蓋鎖區(qū)強度、發(fā)蓋緩沖塊配合面剛度進行力學(xué)性能分析，在數(shù)據(jù)凍結(jié)前評估產(chǎn)品強度、剛度可靠性，找出設(shè)計中的設(shè)計缺陷，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)，最終開模出來的前端框架經(jīng)實際試驗驗證滿足了力學(xué)性能要求，避免整車試裝或銷售后才進行零件整改的現(xiàn)象出現(xiàn)，節(jié)約了前端框架的開發(fā)周期和成本，提升了前端框架的開發(fā)質(zhì)量。