汽车前端框架力学性能分析及优化设计

孙玉红,胡远航,齐贺,牟雪雷

(1.长城汽车股份有限公司技术中心, 河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心,河北保定 071000)



汽车前端框架力学性能分析及优化设计

孙玉红1，2,胡远航1，2,齐贺1，2,牟雪雷1，2

(1.长城汽车股份有限公司技术中心, 河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心,河北保定 071000)

摘要：前端框架是汽车集成化设计的核心部件，其结构设计要满足严格的力学性能要求。提出了前端框架刚度、强度及扭转的分析方法及评价标准，采用该方法可以验证前端框架结构设计的可行性。运用ANSA软件建立前端框架的有限元模型,运用ABAQUS软件验证前端框架的力学性能，采用增加斜梁支撑的方案解决了前端框架力学性能弱的问题，斜梁支撑可以大大提升前端框架的力学性能。

关键词：前端框架；力学性能；优化设计

0引言

前端框架是汽车集成化设计的重要部件，它是散热器、冷凝器、中冷器等零件的安装平台[1]，是重要的安全部件，因此前端框架的结构设计要满足严格的力学性能要求。作者的目的是介绍前端框架力学性能的分析方法及评价标准，以便于对设计的前端框架进行力学性能评估，从而验证前端框架设计的可行性，最终设计出性能优良的前端框架结构。

1有限元分析

进行前端框架的有限元分析要经过如下3个步骤：模型前处理→分析计算→结果后处理。

1.1模型前处理

用ANSA软件建立前端框架的网格模型、定义材料参数、建立边界条件等。

1.2分析计算

将力学分析模型输入ABAQUS求解器进行分析计算。

1.3结果后处理

用HyperView软件读取分析结果的ODB文件[2]，以查看应力是否超出材料的屈服强度、位移是否超出其目标值。

2有限元模型建立

2.1网格划分

利用ANSA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，采用多边形网格，注意调整网格质量，使其无细小单元、翘曲等问题。有限元模型如图1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。在静态的刚度、强度及扭转分析中只需输入材料的弹性模量、泊松比和密度。前端框架结构设计一般选材为PP玻纤增强材料或PA改性材料，具体选材应依据其设计结构及质量要求而定。文中设计选用PA6改性材料。其常温参数如表1所示。

进行前端框架力学性能分析时，还要给弹性模量及屈服强度乘以安全系数，以保障前端框架力学性能的可靠性。

2.3模拟螺栓连接

进行前端框架力学性能分析时，采用MPC模拟螺栓的刚性连接，连接方式如图2所示。

2.4模拟主锁

进行前端框架力学性能分析时，采用MPC模拟主锁的刚性连接、外力加载到MPC的拟合点，注意将拟合点移动到主锁的实际坐标位置。主锁模拟如图3所示。

2.5约束的建立

该前端框架通过车身纵梁和防撞梁的夹持面安装，如图1所示，前端框架侧边梁中部各有4个安装点与车身纵梁安装，侧边梁上部各有4个安装点与钣金安装，安装点均采用Boundary约束6个自由度。

2.6载荷工况及评价标准

前端框架的扭转分析及主锁的刚度、强度分析是其关键的力学性能，下面介绍前端框架力学性能分析的工况载荷及评价标准。

2.6.1载荷工况

刚度分析。对前端框架主锁中心点-Z向施加600 N作用力，模拟常规情况下引擎盖对主锁的作用力；

强度分析。对前端框架主锁中心点+Z向施加5 000 N作用力，模拟发生碰撞事故机舱破坏时引擎盖对主锁的作用力；

扭转分析。将前端框架一端全约束，另一端绕整车Y轴扭转12°，模拟行车时左右车身纵梁前后摆动对前端框架的扭转作用。扭转工况模拟图见图4。

2.6.2评价标准

刚度分析。前端框架加载点-Z向变形小于1.2 mm，锁区刚度大于500 N/mm。

强度分析。施加载荷后前端框架的内部应力小于材料的屈服强度，但允许局部有微裂纹；

扭转分析。施加载荷后前端框架的内部应力小于材料的屈服强度，但允许局部有微裂纹。

3力学分析结果

图1中前端框架结构为方案一，针对方案一前端框架进行刚度分析，分析结果如图5所示。

针对方案一前端框架进行强度分析，分析结果如图6所示。

针对方案一前端框架进行扭转分析，分析结果如图7所示。

从以上的分析结果可知：方案一前端框架刚度分析时加载点位移为2.467 mm，强度分析时前端框架的最大应力为322.9 MPa，扭转分析最大应力为403.2 MPa。

如表2所示，前端框架方案一的主锁刚度、强度及扭转分析结果均不满足相关的力学性能要求。

4前端框架结构优化

4.1原因分析

从方案一的分析结果可以看出：前端框架上梁刚度分析结果位移较大、强度分析结果应力较大、扭转分析结果应力较大，主要原因是前端框架上梁缺少支撑，导致上梁的刚度较低、强度较差，上梁与两侧边梁缺少衔接支撑导致前端框架抗扭转性能较差。

4.2优化方案

针对前端框架上梁刚度低、强度差、扭转不合格的问题，对其上梁中部添加斜梁支撑，且斜梁下端搭接到前端框架的两侧边梁，以提升前端框架的整体力学性能。优化后前端框架的效果如图8所示。

5优化方案分析结果

图8所示的前端框架的优化设计为方案二，针对方案二进行力学性能分析，工况载荷及评价方法与方案一相同，刚度分析结果如图9所示。

针对前端框架方案二进行强度分析，分析结果如图10所示。

针对前端框架方案二进行扭转分析，分析结果如图11所示。

从以上的分析结果可知：前端框架方案二的刚度分析结果加载点位移为1.077 mm，强度分析结果最大应力为73.74 MPa，扭转分析结果最大应力为71.09 MPa。

如表3所示，前端框架方案二的主锁刚度、强度及扭转分析结果均满足相关的力学性能要求。

6结论

文中介绍了前端框架主锁刚度、强度及扭转的分析方法及评价标准，采用该方法对设计的前端框架进行力学性能分析，从而验证前端框架设计的可行性，找出其设计结构的薄弱位置并进行结构优化。经过反复修改验证，最终设计出力学性能优良的前端框架，避免了完全依赖经验的设计方法。

国内某车企在进行前端框架结构设计过程中，正是采用了文中的分析方法及评价标准，最终设计出满足力学性能要求的前端框架，避免了整车销售后客户反馈才进行零件问题整改的局面，大大降低了整车的研发周期和成本。

参考文献:

【1】杭飞.复合结构的汽车前端模块研究[J].上海汽车，2011(12):22.

【2】张胜兰，郑冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社，2007：180.

Mechanical Analysis and Optimization of Automobile Front-end Module

SUN Yuhong1,2，HU Yuanhang1,2，QI He1,2，MU Xuelei1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company，Baoding Hebei 071000,China ;2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei，Baoding Hebei 071000,China)

Keywords:Front-end module; Mechanical properties; Optimization design

Abstract:The front-end module is one of the key components of automobile in integrated design. Its structure should meet the stringent requirements to the mechanical properties. A front-end module stiffness, strength and torsional analysis methods and evaluation criteria were presented. These methods could be used to verify the feasibility of front-end module structure design. ANSA software was used to build finite element model of the front-end module. ABAQUS software was used to verify the mechanical properties of the front-end module. By increasing the slanting beams support, the poor mechanical properties of the front-end module was improved. Slanting beam support can greatly enhance the mechanical properties of the front-end module.

收稿日期：2015-12-06

作者简介：孙玉红(1985—)，女，本科，工程师，研究方向为车辆工程。E-mail：huyuanhanghgc@163.com。

中图分类号:U463.83

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)03-036-04