基于Hypermesh有限元分析的外飾塑件輕量化設計

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

【摘 要】文章提出基于Hypermesh有限元分析的外飾塑件輕量化設計方法，以某企業前蒙皮進氣格柵為例，提出基于感知質量標準和有限元分析的輕量化流程，通過剛度有限元分析和感知質量評估，確定優化方案，并對輕量化后的前蒙皮進氣格柵進行各項性能的評估，在保證輕量化后力學性能和感知質量不降低的前提下，減重效果顯著，同時節約了成本。該方法應用于某企業汽車生產，驗證了該方法的可行性和有效性。

【關鍵詞】Hypermesh；有限元；塑件；輕量化

【中圖分類號】U463.83 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）04-0025-05

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車在人們的生活和工作中扮演著舉足輕重的作用。汽車保有量與日俱增，帶來了能源短缺、環境污染等一系列日益突出的問題，節能、環保已成為世界汽車工業領域面臨的兩大棘手問題。而汽車輕量化已經成為各國推進汽車行業節能減排的主要手段之一，對于車身鈑金件的輕量化研究有很多，應用CAE等分析工具也是常采用的手段。例如，劉金釗等人以一款低速電動乘用車為研究對象，提出了基于一維搜索的車身輕量化設計方法，對車身結構進行輕量化優化設計[1]。對于塑件而言，大部分學者和企業都關注原材料[2]，對于塑料零件結構的輕量化設計研究不多。而外觀塑料零件除了擔負起相應的功能之外，還要求外觀感知質量要好。目前，外觀塑件的輕量化研究不多，采用有限元分析技術實現汽車外觀塑料零件輕量化設計的研究更是鮮見。

本文以某汽車企業某款轎車前蒙皮進氣格柵為例，采用Hypermesh有限元分析，對前蒙皮進氣格柵結構在不同工況下進行剛度分析，找出滿足感知、剛度及輕量化要求的平衡點，實現前蒙皮進氣格柵的輕量化設計，研究外觀塑料零部件輕量化。

1 有限元分析理論

前蒙皮進氣格柵處于前蒙皮總成正中部位置，在車輛受到外部碰撞時，前蒙皮進氣格柵要有彈性變形以保護后部零件不受撞壞的能力。同時，前蒙皮進氣格柵是網格狀，客戶在看車時，都喜歡下意識地用手拉網格，如果網格剛度弱，就會讓客戶感覺缺少安全感，滿意度下降。無論是功能方面還是感知質量方面，都要求前蒙皮進氣格柵有足夠的剛度。

運用有限元法進行例如前蒙皮進氣格柵等塑件剛度問題的分析求解時，可將零件看成彈性體，計算出功和能[3]。在載荷作用下，彈性體體內任意一點的應力狀態，可分成6個應力分量表示，應力分量及其正方向如圖1所示。

1.1 應變與位移的關系——幾何方程

1.1.1 單向應變狀態

（1）

1.1.2 雙向應變狀態

（2）

1.1.3 三向應變狀態

（3）

1.2 應力與應變的關系——物理方程

1.2.1 單向應力狀態

σx=Eεx（4）

1.2.2 雙向應力狀態

（5）

（6）

（7）

1.2.3 三向應力狀態

（8）

（9）

（10）

（11）

（12）

（13）

1.3 虛功原理

分析系統中，虛功原理要求接受分析的零部件結構在施加約束和承受內外力的作用下處于穩定的平衡狀態[3]，虛功原理如公式（14）所示：

Wext=Wint（14）

在計算分析前期處理時，施加約束能夠允許結構有微小的變形位移，外力方向沒有變化，結構依然處于平衡狀態，這個變形位移我們稱之為虛位移。

2 基于感知質量標準和有限元分析的輕量化流程圖

前蒙皮進氣格柵為滿足散熱器和重量器等空電零件進氣量需求，都要有開孔，但是同時又不能外露太多后部零件。因此，在滿足剛度和輕量化需求的同時，要滿足后部零件外露靜態感知質量標準。

靜態感知質量是指在車輛未啟動狀態下，客戶能感知（包含看、聽、摸、聞）到的質量，是給客戶最大程度的愉悅質量。它用于評價車輛是否滿足制造質量要求。

某汽車企業車輛前部感知質量評審視野標準如圖2所示。

感知質量評審視野要求：人在離車頭最外端2 m處面對評價對象站立，以5%女性站立眼球高度、95%男性站立眼球高度來評價眼球高度，女性取1 420 mm，男性取1 820 mm。

對于格柵網格類造型進氣格柵后部零件外露感知標準，從設計角度來看更為嚴格，除滿足在感知質量評審視野范圍內的美觀要求外，還要滿足以下標準：以網格最低點做平行于地面（整車坐標X軸）的直線，命名X線，OA線是與X線有30°夾角的線，在X線和OA線之間的區域（紅斜線）為格柵后面可見區域，OA線以下為不可見（如圖3所示）。網格后部零件感知評價要求下端網格翻邊邊界在OA線以上。

本文提出外觀塑料零件輕量化簡要思路如圖4所示，首先利用有限元分析確定目標零部件，建立尺寸優化函數計算零部件剛度，然后依據約束條件和感知質量評審標準對優化方案進行評估。

3 實例應用研究

3.1 幾何模型建立

采用軟件UG9.0完成前蒙皮進氣格柵的幾何建模工作。前蒙皮進氣格柵整體外觀如圖5所示，由造型A面得出的數據，前蒙皮進氣格柵網格X向的厚度約20 mm（如圖6所示）。網格X向的深度較深，進氣格柵比較厚實，強度高度均好，客戶感知較高；但是，前蒙皮進氣格柵網格X向深度深帶來的是重量大的后果，因此要在滿足感知的和剛度的基礎上進行輕量化設計更改。

根據靜態感知質量評價標準，進行數據上的評估發現，前蒙皮進氣格柵6根網格中，X向深度最小為13.5 mm、最大為15.6 mm，即可滿足外觀感知要求（如圖7所示）。因此，設計者選取網格深度20 mm、15 mm、10 mm進行剛度分析。

3.2 基于Hypermesh的有限元模擬分析及結果

前蒙皮進氣格柵作為前蒙皮總成的一個子集零件，要與前蒙皮總成作為一個整體進行分析。采用Hypermesh為有限元前處理器，求解器為nastran。將不同網格深度的前蒙皮進氣格柵網格的3D幾何模型導入分析軟件，前蒙皮進氣格柵的具體尺寸為941 mm×160 mm×96 mm，前蒙皮總成與前蒙皮進氣格柵材料屬性見表1，定義單元類型。分析模型包括前保、格柵、部分前車架，霧燈總成用質量點模擬。同時，將前蒙皮進氣格柵與前蒙皮總成連接面進行全約束（如圖8所示）。

根據汽車行駛時前蒙皮進氣格柵受力實際情況和企業標準，前蒙皮進氣格柵剛度目標>20 N/mm，剛度分析設置加載點4個點。本次分析分別在圖9所示的4個點施力，加載沿表面法線向下的100 N力（如圖10所示），加載面積為4 cm2。

根據企業標準和前蒙皮進氣格柵在實際車輛使用中的受力情況，分析設置3種工況，各種工況見表2。通過計算，得到不同X向網格深度、不同工況結果見表3。

計算出3個方案4個受力點在不同工況下的剛度分析結果（見表4）。

從剛度分析結果可以得出結論：方案1和方案2均滿足剛度要求，方案1最優，方案2次之，方案3不滿足要求。

同時，根據網格感知質量評價標準進行評估不同方案后部零件可見性，結果如圖11所示。可以看出，方案1和方案2的各級網格下端翻邊邊界在OA線以上，而方案3的各級網格下端翻邊邊界在OA線以下，不符合感知質量要求。

3.3 優化結果評價

根據上述分析結果，輕量化設計采用方案2。目標車型優化前后的前蒙皮進氣格柵結構質量、剛度和感知質量評估對比見表5。

前蒙皮進氣格柵最小剛度滿足要求，后部零件可見性評估也滿足感知要求，而前蒙皮進氣格柵質量下降28.91%，滿足了輕量化的設計要求。

4 結論

本文以目標車型前蒙皮進氣格柵為應用對象，研究基于Hypermesh有限元分析的外飾塑件輕量化技術，提出基于感知質量標準和有限元分析的輕量化流程；對原車前蒙皮進氣格柵感知剛度和感知質量情況進行研究，提出輕量化方案，并對輕量化后前蒙皮進氣格柵質量、剛度進行評估，在保證輕量化后力學性能和感知質量不降低的前提下，減重效果顯著，同時節約了成本。

參 考 文 獻

[1]劉金釗，焦學健.基于一維搜索的車身輕量化設計[J].農業裝備與車輛工程，2015，4（53）：28-32.

[2]王穎，王寧，陳占春，等.提高汽車塑料件強度的方法[J].科技創新與生產力，2015，2（253）：50-52.

[3]馮博.基于Hypermesh的某輕型客車中滑門剛度分析[J].農業裝備與車輛工程，2013，4（51）：2-5.

[責任編輯：鐘聲賢]

【作者簡介】潘杰花，女，廣西賀州人，碩士，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師。