汽車前端模塊的優化設計

劉陽，李瑞生，徐晶才

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110000）

前言

為應對汽車燃料消耗快速增長及由此引起的能源和環境問題，國家制定了到 2020年乘用車平均燃料消耗量達到5L/100km的目標。據統計，汽車每減輕其總重量的10%，燃油消耗量可降低6%～8%[1]。減輕汽車重量正是面對這一挑戰的必由之路。為此近年來前端模塊在汽車上的應用數量也大量增加，汽車上使用塑料前端模塊是重要發展趨勢。前端模塊按成型工藝分為金屬模塊、復合模塊及純塑模塊。當前自主汽車上的前端模塊應用仍然不夠成熟，通常使用塑料本體加鈑金加強件的復合前端模塊。

本文通過使用 OptiStruct將復合前端模塊優化設計為薄壁化全塑前端模塊，并從零件數目、重量、成本、性能等方面闡述了全塑前端模塊支架的特點及優勢，為今后全塑前端模塊的全面應用提供借鑒。

1 復合前端模塊設計

塑料前端框架在設計之初，需要對開發目標進行設定。首先根據總布置和工藝需求確定前端模塊需要集成下列零件：散熱器總成、發動機蓋鎖、防撞梁和大燈支架。前端模塊材料選用PP-LGF30.材料屬性如表1所示：

表1 PP-LGF30材料屬性

經過多輪設計，制作出了復合前端模塊的產品數據，整個前端模塊系統見圖1。其中前端模塊包括一個塑料本體和7個鈑金加強件，總重量為7.46kg。

圖1 前端模塊系統

2 設計優化

2.1 形狀概念優化

考慮到當前口字形前端模塊在發蓋發動機蓋鎖位置強度不足，增加八字形加強筋。調整注塑本體形狀，增加整體結構強度。優化后數據見圖2：

圖2 純塑前端模塊概念數據

2.2 OptiStruct介紹

過去設計時往往基于過往經驗進行設計，數據完成后進行CAE分析，再根據CAE分析結果對數據進行優化，循環至CAE分析合格，需要多次試錯迭代，同時實際設計數據往往會產生強度過剩。OptiStruct是一款優秀的結構分析和優化設計軟件，它以有限元方法作為數值計算方法，并帶有強大的優化算法，可以用于概念設計和細化設計。它的主要優化設計功能包括：拓撲優化，尺寸優化，形狀優化和形貌優化，可以使優化設計更加方便、穩健和精確可靠，幫助工程師減少試錯迭代，從而縮短設計的開發和測試時間。

2.3 壁厚優化

過去前端模塊設計一般采用等壁厚設計，再根據 CAE的分析結果手工進行局部壁厚優化，設計壁厚一般為3mm。而此次設計采用了 OptiStruct來進行基于軟件的自動變壁厚設計。首先將數據導入到HyperMesh中進行網格劃分，然后定義殼單元的厚度，將本體的厚度設置為2.5mm，加強筋的厚度設置為 2mm，局部安裝點的厚度設置為 5mm。其重量為 3.8Kg。然后按照前端模塊的性能要求對數據加載進行分析計算。

圖3 前端模塊網格加載分析

經過計算，在鎖極限拉力測試時局部應力超差，導致材料屈服，不滿足性能要求。保險杠面罩安裝點剛度上，變形量大于設計許可的最大變形量，局部結構的剛度不能滿足要求。數據需要進行設計優化。

將不同位置殼單元的屬性進行細分并將其厚度設定為設計優化變量。設定范圍為0.1mm至5mm，變化檔位為0.5mm。屬性細分設定完成后的模型如下圖4所示。

圖4 前端模塊支架壁厚優化分析模型

圖5 壁厚優化后的數據

2.4 拓撲優化

經過壁厚優化的數據可以繼續進行拓撲優化。主要是根據注塑成型工藝的需求，調整部分不合理的壁厚及優化部分加強筋的形狀和布置。在Feasible Design的優化結果中，根據單元中的材料密度分布來進行優化。

當密度值為1時（紅色區域），表示此區域需要材料最多，此區域產品壁厚保證不變或增加。而密度值為0.01時（藍色區域），代表此區域需要材料最少，此區域產品壁厚可以減少或者將產品局部切去。按照此原則對數據進行拓撲優化，優化之后前端模塊的重量達到 4.5Kg，材料得到了最大化的利用。

圖6 單元材料密度分布

3 CAE驗證

按照前端模塊的實際裝車條件，需要對前端模塊進行強度、剛度及模態的專項CAE分析。具體項目包括：鎖極限拉力測試、發動機蓋接觸部位剛度、保險杠面罩安裝點剛度、散熱器安裝點剛度、大燈安裝點剛度、發蓋鎖安裝點剛度及模態計算。部分CAE分析結果如下圖所示。所有CAE分析項目均能滿足目標要求。純塑前端模塊設計完成。

圖7 鎖極限拉力測試

圖8 發蓋鎖安裝點剛度

圖9 模態測試

4 對比分析

根據復合前端模塊與全塑前端模塊的設計數據，從零件數目、重量、成本進行了對比，全塑前端模塊支架極大的減少了總成下零件的數量，重量減少39%，成本降低25%，相對于復合前端模塊有了極大的提高。

表3 復合與全塑前端模塊對比

5 結論

（1）通過使用OptiStruct來進行設計可以減少試錯迭代，使設計變得更加精確、快速，提升了設計質量。

（2）在保證性能達標的前提下可以將復合前端模塊優化設計為全塑前端模塊。

（3）全塑前端模塊相對于復合前端模塊減少了總成下零件的數量，重量減少39%，成本降低25%。

參考文獻

[1] Benedyk J.Light Metal in Automotive Applications[J].Light Metal Age,2000,58(10):34-35.

[2] 張勝蘭等編著.基于 HyperWorks的結構優化設計技術.北京:機械工業出版社,2007.