CAE分析在汽車塑料前端框架的應用

周桂蓮

（東南（福建）汽車工業有限公司，福建 福州 350119）

1 概述

汽車前端框架主要承載冷卻模塊及發動機罩鎖等總成零部件。隨著汽車制造技術向模塊化、集成化、輕量化方向發展[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]。傳統的前端框架都采用鈑金結構，具有系統零件多，重量大的缺點，以塑料前端框架取代傳統鈑金的散熱器框架，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性能要求很高[4]，因此前端框架的強度是設計開發中的關鍵。

本文以D車型前端框架為例，對其力學性能進行研究，經過不斷優化最終滿足結構性能指標。

2 研究方法

利用CAE分析技術進行力學性能分析，找出受力薄弱點，對結構進行設計優化，在規定的試驗環境下，對前端框架進行力學性能試驗，包括發蓋鎖區強度、發蓋緩沖塊配合面剛度等，進一步驗證了前端框架產品設計合理性。

3 CAE仿真分析

3.1 建模與網格劃分

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格模型，劃分為700000個網格單元。

3.2 材料與屬性

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

表1 常溫下材料及相關物性參數

3.3 車體約束條件

根據實車裝配情況，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

發蓋鎖沿著-Z方向施加4500N作用力，模擬常態下汽車引擎蓋對鎖的沖擊力；發蓋鎖沿著+X方向施加2000N作用力，模擬發生碰撞發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

發蓋鎖沿著-Z方向施加4500N作用力，前端框架內部應力小于材料的屈服強度，發蓋鎖區無斷裂，失效；發蓋鎖沿著+X方向施加2000N作用力，前端框架內部應力小于材料的屈服強度，發蓋鎖區無斷裂，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 分析結果

3.6.1 發蓋鎖剛度分析

從表2發蓋鎖強度分析結果可以知道，發蓋鎖在-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，鈑金支架處最大應力大于240MPa，超過了材料的屈服極限，無法滿足要求。圖3為發蓋鎖受到-Z和-+X方向荷載應力分布圖。

圖3 發蓋鎖-Z、+X方向荷載應力分布圖

表2 發蓋鎖強度分析結果

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

圖4 發蓋鎖-Z方向荷載應力分布圖

圖5 發蓋鎖+X方向荷載應力分布圖

3.6.2 發蓋緩沖塊剛度

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

圖6 緩存塊A應力分布（左側）

圖7 緩存塊A應力分布（右側）

圖8 緩存塊B應力分布（左側）

圖9 緩存塊B應力分布（右側）

表3 發蓋緩沖塊分析結果

4 前端框架結構優化與分析

4.1 前端框架結構優化

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

圖10 優化后鈑金支架

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 結果分析

針對優化后的結構再次進行力學性能分析，控制條件、約束條件和優化前一致。

4.2.1 發蓋鎖剛度分析

分析結果如表4，發鎖蓋處受力后最大應變值為7.5 mm，最大應力233MPa，相關參數均可滿足力學性能要求。

表4 發蓋鎖強度優化后分析結果

4.2.2 發蓋緩沖塊剛度

發蓋緩沖塊A區域沿著-Z方向施加1000N力后，左右側加載點位移分別為0.39 和0.4 mm，最大應力和最大應變均滿足強度和剛度要求。發蓋緩沖塊B區域沿著-Z方向施加1000N力后，左右側加載點位移分別為1.54 mm和1.42 mm，最大應力和最大應變均滿足強度和剛度要求。

5 試驗驗證

在規定的試驗環境下，對前端框架實物進行力學性能試驗，包括發蓋鎖區強度、發蓋緩沖塊配合面剛度等。

6 結論

本文以某D車型前端框架為例，運用CAE分析技術對發蓋鎖區強度、發蓋緩沖塊配合面剛度進行力學性能分析，在數據凍結前評估產品強度、剛度可靠性，找出設計中的設計缺陷，為產品結構優化提供了依據，最終開模出來的前端框架經實際試驗驗證滿足了力學性能要求，避免整車試裝或銷售后才進行零件整改的現象出現，節約了前端框架的開發周期和成本，提升了前端框架的開發質量。