基于Hypermesh有限元分析的外饰塑件轻量化设计

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

【摘 要】文章提出基于Hypermesh有限元分析的外饰塑件轻量化设计方法，以某企业前蒙皮进气格栅为例，提出基于感知质量标准和有限元分析的轻量化流程，通过刚度有限元分析和感知质量评估，确定优化方案，并对轻量化后的前蒙皮进气格栅进行各项性能的评估，在保证轻量化后力学性能和感知质量不降低的前提下，减重效果显著，同时节约了成本。该方法应用于某企业汽车生产，验证了该方法的可行性和有效性。

【关键词】Hypermesh；有限元；塑件；轻量化

【中图分类号】U463.83 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）04-0025-05

0 引言

随着人们生活水平的不断提高，汽车在人們的生活和工作中扮演著举足轻重的作用。汽车保有量与日俱增，带来了能源短缺、环境污染等一系列日益突出的问题，节能、环保已成为世界汽车工业领域面临的两大棘手问题。而汽车轻量化已经成为各国推进汽车行业节能减排的主要手段之一，对于车身钣金件的轻量化研究有很多，应用CAE等分析工具也是常采用的手段。例如，刘金钊等人以一款低速电动乘用车为研究对象，提出了基于一维搜索的车身轻量化设计方法，对车身结构进行轻量化优化设计[1]。对于塑件而言，大部分学者和企业都关注原材料[2]，对于塑料零件结构的轻量化设计研究不多。而外观塑料零件除了担负起相应的功能之外，还要求外观感知质量要好。目前，外观塑件的轻量化研究不多，采用有限元分析技术实现汽车外观塑料零件轻量化设计的研究更是鲜见。

本文以某汽车企业某款轿车前蒙皮进气格栅为例，采用Hypermesh有限元分析，对前蒙皮进气格栅结构在不同工况下进行刚度分析，找出满足感知、刚度及轻量化要求的平衡点，实现前蒙皮进气格栅的轻量化设计，研究外观塑料零部件轻量化。

1 有限元分析理论

前蒙皮进气格栅处于前蒙皮总成正中部位置，在车辆受到外部碰撞时，前蒙皮进气格栅要有弹性变形以保护后部零件不受撞坏的能力。同时，前蒙皮进气格栅是网格状，客户在看车时，都喜欢下意识地用手拉网格，如果网格刚度弱，就会让客户感觉缺少安全感，满意度下降。无论是功能方面还是感知质量方面，都要求前蒙皮进气格栅有足够的刚度。

运用有限元法进行例如前蒙皮进气格栅等塑件刚度问题的分析求解时，可将零件看成弹性体，计算出功和能[3]。在载荷作用下，弹性体体内任意一点的应力状态，可分成6个应力分量表示，应力分量及其正方向如图1所示。

1.1 应变与位移的关系——几何方程

1.1.1 单向应变状态

（1）

1.1.2 双向应变状态

（2）

1.1.3 三向应变状态

（3）

1.2 应力与应变的关系——物理方程

1.2.1 单向应力状态

σx=Eεx（4）

1.2.2 双向应力状态

（5）

（6）

（7）

1.2.3 三向应力状态

（8）

（9）

（10）

（11）

（12）

（13）

1.3 虚功原理

分析系统中，虚功原理要求接受分析的零部件结构在施加约束和承受内外力的作用下处于稳定的平衡状态[3]，虚功原理如公式（14）所示：

Wext=Wint（14）

在计算分析前期处理时，施加约束能够允许结构有微小的变形位移，外力方向没有变化，结构依然处于平衡状态，这个变形位移我们称之为虚位移。

2 基于感知质量标准和有限元分析的轻量化流程图

前蒙皮进气格栅为满足散热器和重量器等空电零件进气量需求，都要有开孔，但是同时又不能外露太多后部零件。因此，在满足刚度和轻量化需求的同时，要满足后部零件外露静态感知质量标准。

静态感知质量是指在车辆未启动状态下，客户能感知（包含看、听、摸、闻）到的质量，是给客户最大程度的愉悦质量。它用于评价车辆是否满足制造质量要求。

某汽车企业车辆前部感知质量评审视野标准如图2所示。

感知质量评审视野要求：人在离车头最外端2 m处面对评价对象站立，以5%女性站立眼球高度、95%男性站立眼球高度来评价眼球高度，女性取1 420 mm，男性取1 820 mm。

对于格栅网格类造型进气格栅后部零件外露感知标准，从设计角度来看更为严格，除满足在感知质量评审视野范围内的美观要求外，还要满足以下标准：以网格最低点做平行于地面（整车坐标X轴）的直线，命名X线，OA线是与X线有30°夹角的线，在X线和OA线之间的区域（红斜线）为格栅后面可见区域，OA线以下为不可见（如图3所示）。网格后部零件感知评价要求下端网格翻边边界在OA线以上。

本文提出外观塑料零件轻量化简要思路如图4所示，首先利用有限元分析确定目标零部件，建立尺寸优化函数计算零部件刚度，然后依据约束条件和感知质量评审标准对优化方案进行评估。

3 实例应用研究

3.1 几何模型建立

采用软件UG9.0完成前蒙皮进气格栅的几何建模工作。前蒙皮进气格栅整体外观如图5所示，由造型A面得出的数据，前蒙皮进气格栅网格X向的厚度约20 mm（如图6所示）。网格X向的深度较深，进气格栅比较厚实，强度高度均好，客户感知较高；但是，前蒙皮进气格栅网格X向深度深带来的是重量大的后果，因此要在满足感知的和刚度的基础上进行轻量化设计更改。

根据静态感知质量评价标准，进行数据上的评估发现，前蒙皮进气格栅6根网格中，X向深度最小为13.5 mm、最大为15.6 mm，即可满足外观感知要求（如图7所示）。因此，设计者选取网格深度20 mm、15 mm、10 mm进行刚度分析。

3.2 基于Hypermesh的有限元模拟分析及结果

前蒙皮进气格栅作为前蒙皮总成的一个子集零件，要与前蒙皮总成作为一个整体进行分析。采用Hypermesh为有限元前处理器，求解器为nastran。将不同网格深度的前蒙皮进气格栅网格的3D几何模型导入分析软件，前蒙皮进气格栅的具体尺寸为941 mm×160 mm×96 mm，前蒙皮总成与前蒙皮进气格栅材料属性见表1，定义单元类型。分析模型包括前保、格栅、部分前车架，雾灯总成用质量点模拟。同时，将前蒙皮进气格栅与前蒙皮总成连接面进行全约束（如图8所示）。

根据汽车行驶时前蒙皮进气格栅受力实际情况和企业标准，前蒙皮进气格栅刚度目标>20 N/mm，刚度分析设置加载点4个点。本次分析分别在图9所示的4个点施力，加载沿表面法线向下的100 N力（如图10所示），加载面积为4 cm2。

根据企业标准和前蒙皮進气格栅在实际车辆使用中的受力情况，分析设置3种工况，各种工况见表2。通过计算，得到不同X向网格深度、不同工况结果见表3。

计算出3个方案4个受力点在不同工况下的刚度分析结果（见表4）。

从刚度分析结果可以得出结论：方案1和方案2均满足刚度要求，方案1最优，方案2次之，方案3不满足要求。

同时，根据网格感知质量评价标准进行评估不同方案后部零件可见性，结果如图11所示。可以看出，方案1和方案2的各级网格下端翻边边界在OA线以上，而方案3的各级网格下端翻邊边界在OA线以下，不符合感知质量要求。

3.3 优化结果评价

根据上述分析结果，轻量化设计采用方案2。目标车型优化前后的前蒙皮进气格栅结构质量、刚度和感知质量评估对比见表5。

前蒙皮进气格栅最小刚度满足要求，后部零件可见性评估也满足感知要求，而前蒙皮进气格栅质量下降28.91%，满足了轻量化的设计要求。

4 结论

本文以目标车型前蒙皮进气格栅为应用对象，研究基于Hypermesh有限元分析的外饰塑件轻量化技术，提出基于感知质量标准和有限元分析的轻量化流程；对原车前蒙皮进气格栅感知刚度和感知质量情况进行研究，提出轻量化方案，并对轻量化后前蒙皮进气格栅质量、刚度进行评估，在保证轻量化后力学性能和感知质量不降低的前提下，减重效果显著，同时节约了成本。

参 考 文 献

[1]刘金钊，焦学健.基于一维搜索的车身轻量化设计[J].农业装备与车辆工程，2015，4（53）：28-32.

[2]王颖，王宁，陈占春，等.提高汽车塑料件强度的方法[J].科技创新与生产力，2015，2（253）：50-52.

[3]冯博.基于Hypermesh的某轻型客车中滑门刚度分析[J].农业装备与车辆工程，2013，4（51）：2-5.

[责任编辑：钟声贤]

【作者简介】潘杰花，女，广西贺州人，硕士，上汽通用五菱汽车股份有限公司工程师。