汽车前端框架上梁拓扑优化设计

2015-09-04李翠萍孙玉红牟雪雷胡远航宋广晶吴亮发

汽车工程师 2015年9期

李翠萍孙玉红牟雪雷胡远航宋广晶吴亮发

（长城汽车股份有限公司技术中心；河北省汽车工程技术研究中心）

随着国家节能减排法规的实施，轻量化设计已经成为汽车研发过程中考虑的重要因素。前端框架主要承载冷却模块及发动机盖锁的作用，随着集成化程度越来越高，许多零部件都固定在前端框架上[1]。集成化设计不但有利于汽车零部件的生产装配，而且能降低汽车研发成本、缩短研发周期，因此近年来前端框架的优化设计及应用在业界已达成广泛共识。前端框架的结构设计要满足多种力学性能要求。文章运用拓扑优化方法设计前端框架，既满足力学性能要求，又达到轻量化设计的目的。同时降低了整车研发成本，缩短了研发周期。

1 拓扑优化设计

拓扑优化设计需要对设计空间进行结构约束，并施加外部载荷，同时定义设计空间和位移等外界响应，最终设计出满足力学性能要求及轻量化要求的设计结构。

1.1 拓扑优化设计的三要素

拓扑优化设计有设计变量、约束条件及目标函数三要素。设计变量是提高力学性能的参数指标，设计中采用单元密度法；约束条件是对设计的约束限制；目标函数是最优结构设计要求。

1.2 灵敏度分析

拓扑优化时，如果变量函数不能收敛，则需进行灵敏度分析，直到结果收敛。灵敏度是结构响应对于设计变量的偏导数，需满足以下方程：

式中：K——刚度矩阵；

L——单元节点位移函数；

F——单元节点载荷矢量。

两侧对设计变量X求偏导：

则：

同时，约束函数（g）是位移矢量（L）的函数：

则结构响应灵敏度是：

应用上述方法进行灵敏度分析称为直接法，直接法进行灵敏度分析可以使拓扑优化分析结果有效收敛[2]。

1.3 拓扑优化设计流程

采用Optistruct拓扑优化设计流程，如图1所示。

2 有限元模型建立

2.1 网格划分

运用Hypermesh软件前处理功能建立前端框架的有限元模型，基本单元尺寸为5 mm，采用四面体高阶单元网格，注意调整网格质量，使其无细小单元和翘曲等问题，有限元模型，如图2所示。

2.2 材料模型

材料本构关系是有限元分析中重要的计算参数，只有输入准确的材料参数才能得到准确的分析结果。在静态刚度和强度分析中只需输入弹性模量、泊松比及体积质量。前端框架设计一般采用PP玻纤增强材料及PA改性材料，具体选材应依据前端框架设计结构和质量选择，文章模型选用PP-LGF30材料。

2.3 约束的建立

该前端框架通过车身纵梁与防撞梁的夹持面安装，如图2所示，前端框架左右侧边梁各有4个安装点，采用boundary约束各安装点的6个自由度。

2.4 定义设计变量

上梁主锁位置的刚度和强度是前端框架设计的关键问题，因此文章主要研究前端框架上梁的结构设计。如图2所示，上梁粉红色部分为拓扑优化设计空间，绿色部分为非设计空间。设计的最小单元应依据网格尺寸设定，同时还要定义前端框架的拔模方向。

2.5 定义响应

前端框架上梁设计需考虑体积响应和位移响应。体积响应定义volume为最小，以保证材料恰当地布设于力的传递路径，从而保证材料最节省；位移响应保证前端框架主锁施加拉力时上梁变形在允许范围内。

2.6 载荷工况及评价标准

2.6.1 载荷工况

对前端框架上梁主锁处中心点施加Z向600 N作用力。

2.6.2 评价标准

前端框架加载点Z向变形小于1.2 mm，既刚度大于500 N/mm。

3 拓扑优化结果

针对前端框架上边梁进行拓扑优化分析，得到如图3所示的筋位云图。如果仅保留设计空间，拓扑优化后设计空间筋位云图，如图4所示。

4 拓扑优化与传统设计结构

4.1 拓扑优化设计结构

根据图3和图4前端框架上梁的拓扑优化结果，对其进行筋位优化设计，得到如图5所示的设计结构。

注意：拓扑优化分析云图仅代表结构的主要支撑方式，设计时应以拓扑优化云图为依据，结合前端框架的实际情况进行筋位布设。

4.2 传统设计结构

采用传统设计方式，前端框架上梁筋位一般均匀布设。文章拓扑优化设计上梁采用14根筋位，为了便于性能对比，传统设计方式同样采用14根筋位均匀布设，前端框架上梁传统结构设计云图，如图6所示。

5 分析结果对比

将前端框架拓扑优化设计与传统设计方法进行力学性能对比，分析结果，如图7～10所示。

前端框架力学分析结果，如表1所示，从表1可以看出：拓扑优化设计加载点Z向变形最大为1.095 mm，上梁最大变形为1.115 mm，最大应力为12.22 MPa，均满足评价标准；传统设计结构加载点Z向变形最大为1.372 mm，上梁最大变形为1.468 mm；最大应力为14.443 MPa，该设计方法上梁的刚度较小，加载点位移超出力学性能要求。