汽車前端框架上梁拓撲優化設計

李翠萍 孫玉紅 牟雪雷 胡遠航 宋廣晶 吳亮發

（長城汽車股份有限公司技術中心；河北省汽車工程技術研究中心）

隨著國家節能減排法規的實施，輕量化設計已經成為汽車研發過程中考慮的重要因素。前端框架主要承載冷卻模塊及發動機蓋鎖的作用，隨著集成化程度越來越高，許多零部件都固定在前端框架上[1]。集成化設計不但有利于汽車零部件的生產裝配，而且能降低汽車研發成本、縮短研發周期，因此近年來前端框架的優化設計及應用在業界已達成廣泛共識。前端框架的結構設計要滿足多種力學性能要求。文章運用拓撲優化方法設計前端框架，既滿足力學性能要求，又達到輕量化設計的目的。同時降低了整車研發成本，縮短了研發周期。

1 拓撲優化設計

拓撲優化設計需要對設計空間進行結構約束，并施加外部載荷，同時定義設計空間和位移等外界響應，最終設計出滿足力學性能要求及輕量化要求的設計結構。

1.1 拓撲優化設計的三要素

拓撲優化設計有設計變量、約束條件及目標函數三要素。設計變量是提高力學性能的參數指標，設計中采用單元密度法；約束條件是對設計的約束限制；目標函數是最優結構設計要求。

1.2 靈敏度分析

拓撲優化時，如果變量函數不能收斂，則需進行靈敏度分析，直到結果收斂。靈敏度是結構響應對于設計變量的偏導數，需滿足以下方程：

式中：K——剛度矩陣；

L——單元節點位移函數；

F——單元節點載荷矢量。

兩側對設計變量X求偏導：

則：

同時，約束函數（g）是位移矢量（L）的函數：

則結構響應靈敏度是：

應用上述方法進行靈敏度分析稱為直接法，直接法進行靈敏度分析可以使拓撲優化分析結果有效收斂[2]。

1.3 拓撲優化設計流程

采用Optistruct拓撲優化設計流程，如圖1所示。

2 有限元模型建立

2.1 網格劃分

運用Hypermesh軟件前處理功能建立前端框架的有限元模型，基本單元尺寸為5 mm，采用四面體高階單元網格，注意調整網格質量，使其無細小單元和翹曲等問題，有限元模型，如圖2所示。

2.2 材料模型

材料本構關系是有限元分析中重要的計算參數，只有輸入準確的材料參數才能得到準確的分析結果。在靜態剛度和強度分析中只需輸入彈性模量、泊松比及體積質量。前端框架設計一般采用PP玻纖增強材料及PA改性材料，具體選材應依據前端框架設計結構和質量選擇，文章模型選用PP-LGF30材料。

2.3 約束的建立

該前端框架通過車身縱梁與防撞梁的夾持面安裝，如圖2所示，前端框架左右側邊梁各有4個安裝點，采用boundary約束各安裝點的6個自由度。

2.4 定義設計變量

上梁主鎖位置的剛度和強度是前端框架設計的關鍵問題，因此文章主要研究前端框架上梁的結構設計。如圖2所示，上梁粉紅色部分為拓撲優化設計空間，綠色部分為非設計空間。設計的最小單元應依據網格尺寸設定，同時還要定義前端框架的拔模方向。

2.5 定義響應

前端框架上梁設計需考慮體積響應和位移響應。體積響應定義volume為最小，以保證材料恰當地布設于力的傳遞路徑，從而保證材料最節省；位移響應保證前端框架主鎖施加拉力時上梁變形在允許范圍內。

2.6 載荷工況及評價標準

2.6.1 載荷工況

對前端框架上梁主鎖處中心點施加Z向600 N作用力。

2.6.2 評價標準

前端框架加載點Z向變形小于1.2 mm，既剛度大于500 N/mm。

3 拓撲優化結果

針對前端框架上邊梁進行拓撲優化分析，得到如圖3所示的筋位云圖。如果僅保留設計空間，拓撲優化后設計空間筋位云圖，如圖4所示。

4 拓撲優化與傳統設計結構

4.1 拓撲優化設計結構

根據圖3和圖4前端框架上梁的拓撲優化結果，對其進行筋位優化設計，得到如圖5所示的設計結構。

注意：拓撲優化分析云圖僅代表結構的主要支撐方式，設計時應以拓撲優化云圖為依據，結合前端框架的實際情況進行筋位布設。

4.2 傳統設計結構

采用傳統設計方式，前端框架上梁筋位一般均勻布設。文章拓撲優化設計上梁采用14根筋位，為了便于性能對比，傳統設計方式同樣采用14根筋位均勻布設，前端框架上梁傳統結構設計云圖，如圖6所示。

5 分析結果對比

將前端框架拓撲優化設計與傳統設計方法進行力學性能對比，分析結果，如圖7～10所示。

前端框架力學分析結果，如表1所示，從表1可以看出：拓撲優化設計加載點Z向變形最大為1.095 mm，上梁最大變形為1.115 mm，最大應力為12.22 MPa，均滿足評價標準；傳統設計結構加載點Z向變形最大為1.372 mm，上梁最大變形為1.468 mm；最大應力為14.443 MPa，該設計方法上梁的剛度較小，加載點位移超出力學性能要求。

表1 前端框架力學分析結果

6 結論

采用拓撲優化方法設計前端框架，避免了傳統設計中完全依賴經驗的設計方法。經過軟件分析計算，給出前端框架初步的設計結構，設計人員經過細化設計，得出完整的設計結構。拓撲優化大大降低了前端框架設計的難度和周期。

國內某車企在進行前端框架設計過程中，正是運用了OptiStruct拓撲優化設計方法，采用該方法設計的前端框架，其筋位合理地布設于力的傳遞路徑，節約了材料，經ABAQUS軟件分析證實拓撲優化設計的前端框架各項力學性能均滿足相關要求。拓撲優化是一種高效的設計方法。