汽车全塑前端模块结构优化设计

严卫卫　张云青

摘 要：随着塑料材料性能的日益提升，汽车零部件塑料化是汽车轻量化的主要手段之一。文章针对某车型的全塑前端模块结构，根据前端模块的性能指标，利用仿真分析完成前端模块的优化设计，在前端模块性能基本不降低的前提下，整个结构优化实现重量降低10%左右，最终达到降低零件重量和成本的要求。

关键词：前端模块;全塑;轻量化;优化设计

中图分类号：U463.8  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）03-65-03

前言

汽车轻量化是解决“节能”、“安全”、“环保”的最有效手段之一。研究表明，汽车每降低100 kg，可节省燃油0.3～0.5 L/100km，可减少二氧化碳排放8～11 kg/100km[1]。汽车零部件日益向轻量化、模块化方向发展。其中，前端模块更是研究应用的重要课题之一。

结构优化主要是为了满足设计中使材料用量最少、成本达到最低、工艺步骤最简单的最优标准。从工程设计角度，结构优化可分为尺寸优化、形状优化以及拓扑优化三个层次[2]。尺寸优化和形状优化已经得到充分的发展，在航空、航天、桥梁、汽车等一些领域得到了广泛的应用[3]。

1 初始方案设计

1.1 方案设计

某车型采用全塑前端模块设计方案，选用玻纤增强聚丙烯材料。用由长玻纤增强的聚丙烯材料通过整体注塑成型得到的支架。其强度高、耐冲击性能好、耐高低温性能优异。同时成本也比较低[4-5]。此前端模块设计集成冷却模块、机盖锁、前防撞梁、前大灯支架、前大灯、喇叭等零件，前端模块总成如图1所示。

初始设计方案，前端模块主体框架厚度3.0mm，加强筋厚度2.0-3.0mm，重量为3.1kg。

2 结构设计优化

2.1 初始设计方案CAE分析

2.1.1 CAE仿真分析

此次分析运用HyperMesh进行前处理，提取前端模块中性面壳单元，运用OptiStruct求解器进行分析[6]，有限元模型如图2所示：

由于分析工况较多，选取部分工况，分别为机盖锁Z向极限拉伸和机盖锁Z向刚度，分析结果云图如图3，图4所示。其余工况分析结果如下表1所示：

此前端模块初版方案分析结果显示所有指标满足设计要求，最大应力与位移都远低于要求，说明前端模块有较大的优化空间，可以通过结构优化继续减重提高材料的利用率。

2.2 优化设计

2.2.1 优化方法选择

为了进行结构优化降低前端模块重量，本文结合拓扑优化方法，根据前端模块多工况下受力载荷情况下进行分析，在满足性能指标的条件下，实现结构合理优化达到降低前端模块的重量。

采用变密度法的拓扑优化，变密度法（Variable Density Method）是1993年Mlejnek在受均匀化方法的启发下提出的，它开启了结构拓扑优化又一个高效的数学方法。变密度法将拓扑优化在0和1之间的取舍离散性问题转换为在0～1 之间取值连续的优化问题。其中，0表示结构中无材料填充，1表示结构为实体单元，0～1之间表示结构为过渡材料（灰度单元）。为了消除灰度单元使结构满足最优拓扑结构，引入惩罚因子对伪密度在0～1之间的结构单元进行惩罚，使拓扑优化模型更好的逼近0或者1的离散优化模型。以体积为约束条件，结构最小柔度为目标函数，变密度法的拓扑优化模型可表示为：

式中，x为单元伪密度，C为结构柔度，F为结构载荷，K为总刚度矩阵，U为结构总体位移，k0和ue分别为单元刚度矩阵和单元位移矩阵，f为体积分数，V（x）为保留的体积，V0为初始的材料体积。p为惩罚因子。设计变量下限值通常取xmin = 0.001，可以有效地避免刚度矩阵产生奇异。

2.2.2 拓扑优化

拓扑优化过程主要有：定义拓扑优化区域、确定目标函数和约束条件、采用合理的优化算法、判断收敛性、查看优化结果，流程图如图5所示。

根據前端模块工况要求，建立拓扑优化分析模型，以质量最轻为目的，在满足刚度和强度条件下，以单元密度为设计变量，位移和强度为约束条件，对前端模块进行拓扑优化。

2.2.3 拓扑优化结果

通过拓扑优化，得到前端模块密度分布云图如图6所示，由结果可以看到机盖锁安装区域材料对性能的影响很大，两侧竖梁前端模块安装点中间部分以及下横梁中间部分材料对性能的影响很小，此区域可以进行结构优化。

2.2.4 CAE分析验证

根据拓扑优化结果以及结合前端模块成型、尺寸翘曲控制等对前端模块进行结构调整，主要进行了部分区域厚度的调整、加强筋布置走向以及更改部分结构，针对优化后的详细3D结构，建立CAE分析模型进行结构分析，结果如下表2所示：

结构优化后的全塑前端模块性能比原始方案稍有降低，所有性能指标满足要求，同时重量相对初始方案减重0.3kg，实现减重9.7%。

3 结论

（1）根據拓扑优化分析，在满足前端模块性能的条件下，得到前端模块的受力路径，为结构优化设计提供理论依据。

（2）利用拓扑优化设计可以有效的提升设计质量，合理利用材料，最大限度满足轻量化要求，为以后的产品优化设计提供参考。

参考文献

[1] 赵高明.前端支架的模块化发展[J].技术与市场，2010，7（2）：35-39.

[2] 赵红娟，林伟航，魏闯等.典型机翼的拓扑优化方法研究[J].国际航空航天科学， 2019， 7（1）： 1-10.

[3] 王健.具有形状和应力约束的连续体结构拓扑优化及其在框架结构设计中的应用[J].工程力学， 2002， 19（4）：99-103.

[4] 张玉龙，石磊.塑料品种与选用[M].北京：化学工业出版社，2011.

[5] 薛敏.用于汽车部件的含长玻璃纤维的聚丙烯母料[J].现代塑料加工应用，2009（1）：45.

[6] 王钰栋，金磊，洪清泉等.HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例[M].北京：机械工业出版社，2012：325-331.