汽車前端框架性能及成型分析研究

朱長春 楊文葉 宋杰 李文中 李振興 郭秋彥

吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 前言

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展及世界各國對汽車碳排放越來越苛刻的要求，汽車輕量化已經(jīng)是汽車主機(jī)廠滿足碳排放要求的重要手段，也是汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向。塑料前端框架作為一個集成性的產(chǎn)品，不僅可以簡化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率，同時也可以降低整車重量。目前塑料前端框架的制造和裝配都有別于傳統(tǒng)的全金屬設(shè)計，相比于傳統(tǒng)的鈑金沖壓拼焊結(jié)構(gòu)可減重約30% ～40%。塑料前端框架制造工藝為注塑成型，通過CAE 模流分析，可以模擬熱塑性塑料注塑成型的填充、冷卻和成型過程，分析澆注系統(tǒng)及模腔的溫度、壓力、剪切應(yīng)力分布等，預(yù)知注塑機(jī)所需的注射壓力及鎖模力，根據(jù)模流分析結(jié)果優(yōu)化澆口數(shù)目、位置和注塑成型工藝參數(shù)，避免產(chǎn)品制造時可能出現(xiàn)的短射、燒焦、不合理的熔痕位置和氣穴等缺陷。

本文研究一種一體注塑成型的塑料前端框架，重點研究塑料前端框架的性能優(yōu)化和注塑成型的最佳方案。通過研究前端框架結(jié)構(gòu)設(shè)計、CAE 力學(xué)分析、模流分析，得到最優(yōu)的設(shè)計和成型方案，為前端框架制造提供理論支持。

2 前端框架介紹

前端框架作為汽車前部位置的一個載體部件，其上集成了冷卻系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、車身保護(hù)、外飾、傳感器、駕駛輔助系統(tǒng)及行人保護(hù)系統(tǒng)等。具有重量輕、集成度高、安裝簡便、并可集成裝配部件為主機(jī)廠模塊化一體供貨。圖1 為某車型前端框架模塊化供貨總成圖。

圖1 某車型前端框架模塊化供貨總成圖

傳統(tǒng)的金屬汽車前端通常包括幾十個散裝零部件，通過沖壓、拼焊、裝配成前端框架。這種金屬前端框架的設(shè)計運(yùn)輸供貨、裝配效率低，物流和貯存管理復(fù)雜，而一體式注塑成型的前端框架在供貨前可以安裝大燈、散熱模塊、行人腿部保護(hù)梁等部件，形成模塊化集成供貨。相比傳統(tǒng)的全金屬前端框架，一體式的塑料前端框架設(shè)計不僅可以降低重量，實現(xiàn)模塊化的設(shè)計，也更容易組裝和提高主機(jī)廠產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍。

3 前端框架力學(xué)分析

本研究設(shè)計并驗證一款新能源汽車的PP+LGF40 材料一體注塑成型的全塑前端框架。按照汽車主機(jī)廠對前端框架的性能要求，在3D 數(shù)據(jù)設(shè)計完成后（如圖2，待CAE 分析前端框架數(shù)模），需對前端框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE 仿真分析，判斷早期的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否能滿足性能要求，以便對早期的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化及完善，主要分析點如下：

圖2 待CAE 分析前端框架數(shù)模圖示

前端框架模擬裝配狀態(tài)一階固有頻率分析（不帶冷卻模塊），如圖3 示，要求全塑前端框架的一階固有頻率≥50Hz，實際分析結(jié)果62Hz，滿足該性能要求。

圖3 前端框架一階固有頻率仿真圖示

全塑前端框架安裝引擎蓋鎖位置強(qiáng)度分析，如圖4 所示，要求在向機(jī)蓋鎖扣中心點Z 向施加力5300N，鎖安裝區(qū)域結(jié)構(gòu)沒有裂痕、破損等現(xiàn)象，最大應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力。從CAE 強(qiáng)度分析結(jié)果看，施加5300N 后，塑料框架沒有裂痕、破損等現(xiàn)象，最大應(yīng)力為39.5Mpa，低于所用材料PP+LFG40 的屈服強(qiáng)度，滿足該性能要求。

圖4 前端框架引擎蓋鎖位置強(qiáng)度仿真圖示

全塑前端框架安裝引擎蓋鎖位置剛度分析，如圖5、圖6 所示，要求+X 向?qū)︽i扣中心點施加200N 的力，-Z 方向?qū)C(jī)罩鎖扣中心施加400N 的力，最短加載時間為3 分鐘，X 向剛度≥200N/mm，Z 向剛度≥400N/mm。從分析結(jié)果看，X 向施加200N 力后，位移為1.172mm，得出剛度為170.6N/mm，不滿足X 向剛度要求，后續(xù)需要針對X 向剛度進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化；Z 向施加400N 力后，位移為0.75mm，得出剛度為533N/mm，滿足Z 向剛度要求。

圖5 前端框架引擎蓋鎖位置X 向剛度仿真圖示

圖6 前端框架引擎蓋鎖位置Z 向剛度仿真圖示

全塑前端框架大燈安裝點剛度分析，如圖7 所示，要求在大燈安裝點-Z 向加載300N 的 力，Z 向 剛 度≥300N/mm。從分析結(jié)果看，大燈安裝點施加300N 力后，L1-L4 安裝點位移分別是0.786mm、1.669mm、1.433mm、1.679mm，R1-R4安裝點位移分別是1.633mm、0.746mm、1.690mm、1.483mm；得出L1-L4 安裝點剛度值分別為383N/mm、176.6N/mm、207.9N/mm、178.7N/mm，R1-R4 安裝點剛度值分別為183.7N/mm、392.7N/mm、177.5N/mm、202.3N/mm，8 個安裝點中有6 個安裝點不滿足該性能要求，需要針對大燈臂剛度進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖7 前端框架大燈安裝點剛度仿真圖示

全塑前端框架機(jī)罩緩沖塊區(qū)域剛度分析，如圖8 所示，要求機(jī)罩緩沖塊區(qū)域-Z 向加載400N 的力，Z 向剛度≥400N/mm。從分析結(jié)果看，L1、L2、R1、R2 機(jī)罩緩沖塊區(qū)域施加400N 力后，位移分別是0.791mm、0.629mm、0.830mm、0.862 mm；得出L1、L2、R1、R2 安裝點剛度值 分 別 為505.7N/mm、635.9N/mm、481.9N/mm、494.0N/mm，滿足該項性能要求。

圖8 前端框架機(jī)罩緩沖墊區(qū)域剛度仿真圖示

全塑前端給框架冷卻模塊承載安裝點靜剛度分析，如圖9 所示，要求在冷卻模塊承載安裝點-Z 向加載600N 的力，Z 向剛度≥600N/mm。從分析結(jié)果看，2 個承載安裝點分別位移0.974mm 和0.717mm，得出2 個承載安裝點剛度值分別為616N/mm、836.8N/mm，滿足該項性能要求。

圖9 前端框架冷卻模塊承載安裝點靜剛度仿真圖示

冷卻模塊非承載安裝點靜剛度分析，如圖10 所示，要求在冷卻模塊非承載安裝點-Z 向加載200N 的力，Z 向剛度≥200N/mm。從分析結(jié)果看，2 個非承載安裝點分別位移0.199mm 和0.191mm，得出2個非承載安裝點剛度值分別為1005.0N/mm、1047.1N/mm，滿足該項性能要求。

圖10 前端框架冷卻模塊非承載安裝點靜剛度仿真圖示

全塑前端給框架前保安裝支架剛度分析，如圖11 所示，要求在前保安裝支架安裝點-Z 向施加200N 的力，Z 向剛度≥200N/mm。從分析結(jié)果看，B1、B2、B3、B4 前保安裝支架安裝點施加200N 力后， 位 移 分 別 是0.617mm、1.000mm、0.966mm、0.593mm； 得 出B1、B2、B3、B4 安裝點剛度值分別為324.1N/m m、2 0 7.0 N/m m、2 0 0.0 N/m m、337.2N/mm，滿足該項性能要求。

圖11 前端框架前保安裝支架剛度仿真圖示

前端框架扭轉(zhuǎn)剛度分析，如圖12 示，將前端框架一側(cè)所有安裝點用螺栓固定，另一側(cè)安裝點裝配到工裝上，再將工裝繞Y軸進(jìn)行12 度的扭轉(zhuǎn)，前端框架無裂紋、破損等現(xiàn)象，最大應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力。從分析結(jié)果看，繞Y 軸扭轉(zhuǎn)12 度后，前端框架沒有裂痕、破損等現(xiàn)象，最大應(yīng)力為71.36Mpa，低于PP+LFG40 材料的屈服強(qiáng)度，滿足該性能要求。

圖12 前端框架扭轉(zhuǎn)剛度仿真圖示

4 前端框架膠注系統(tǒng)分析

本文研究的前端框架，采用PP+LGF40材料一體注塑成型。模流分析的研究，可以很好的仿真產(chǎn)品注射成型的過程，進(jìn)行數(shù)字化模擬試模，從而幫我們分析及找出最佳的澆口數(shù)量、位置；分析冷卻系統(tǒng)的設(shè)計合理性；分析產(chǎn)品的設(shè)計不足及產(chǎn)品注塑成型可能存在的缺陷等，讓我們在模具實物制造前進(jìn)行模具設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計的優(yōu)化，節(jié)省開發(fā)時間及成本。

本前端框架，澆注系統(tǒng)經(jīng)過多次設(shè)計優(yōu)化后，最終選擇了以下方案，如圖13 示，采用帶時序控制的熱流道澆注系統(tǒng)，總計13 個進(jìn)膠點，G1 進(jìn)膠點閥針開啟時間為第0 秒，G2-G3 進(jìn)膠點閥針開啟時間為第1.2秒，G4-G9 進(jìn)膠點閥針開啟時間為第1.7秒，G10-G13 進(jìn)膠點閥針開啟時間為第2.4秒，基于該澆注系統(tǒng)的模流分析如下：

圖13 前端框架澆注系統(tǒng)圖示

注塑填充分析，如圖14 示，充填時間4.61s，無明顯的遲滯，可接受；流動前沿溫度均在在232-10℃范圍內(nèi)，材料推薦的注射料溫范圍210℃-250℃，屬于較理想的狀體，可接受；型腔充填最大壓力54.05Mpa，在合理范圍，可接受；最大鎖模力需求為897.9T，實際生產(chǎn)中，我們可能需要用1000T 或以上的注塑設(shè)備去生產(chǎn)。

圖14 前端框架模流分析圖示1

注塑缺陷仿真分析，如圖15 示，前端框架外觀處無明顯結(jié)合線，無嚴(yán)重或明顯困氣現(xiàn)象，最大縮痕均在0.1mm 以內(nèi)，對于非外觀零件，可接受。

圖15 前端框架模流分析圖示2

注塑變形仿真分析，如圖16 示，前端框架整體最大變形值3.62mm，X 向變形 值-2.54mm ～2.39mm，Y 向 變 形 值-1.86mm ～1.70mm，Z 向變形值-2.69mm～3.46mm，對于一個長度1500mm 以上的前端框架來說，變形在預(yù)計的合理范圍內(nèi)，但是前端框架需要提供車燈的安裝點，這樣的變形量還是可能會造成大燈裝配后的間隙、面差控制問題，因此在模具設(shè)計上需要提供反變形措施，以便更好的控制前端框架各安裝點的精度。

圖16 前端框架模流分析圖示3

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一款高度集成的全塑前端框架輕量化結(jié)構(gòu)，采用PP+LGF40 材料一體注塑成型。在初步結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后進(jìn)行力學(xué)性能仿真分析，研究在前端框架安裝引擎蓋鎖、大燈支架、前保安裝點等區(qū)域的剛度、強(qiáng)度和模態(tài)是否滿足整車廠的性能要求，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。同時在實際制造成型前進(jìn)行成型CAE 模流分析，研究澆注系統(tǒng)的設(shè)計、澆口布置、注塑壓力和溫度等工藝參數(shù)，開發(fā)最優(yōu)的成型方案。結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能驗證和成型工藝模擬相結(jié)合的產(chǎn)品設(shè)計使全塑前端框架在模具開發(fā)前得到最優(yōu)最輕量化的結(jié)構(gòu)，節(jié)省了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期。