汽車前端框架力學(xué)性能分析及優(yōu)化設(shè)計

孫玉紅,胡遠(yuǎn)航,齊賀,牟雪雷

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心, 河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

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汽車前端框架力學(xué)性能分析及優(yōu)化設(shè)計

孫玉紅1，2,胡遠(yuǎn)航1，2,齊賀1，2,牟雪雷1，2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心, 河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

摘要：前端框架是汽車集成化設(shè)計的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計要滿足嚴(yán)格的力學(xué)性能要求。提出了前端框架剛度、強度及扭轉(zhuǎn)的分析方法及評價標(biāo)準(zhǔn)，采用該方法可以驗證前端框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。運用ANSA軟件建立前端框架的有限元模型,運用ABAQUS軟件驗證前端框架的力學(xué)性能，采用增加斜梁支撐的方案解決了前端框架力學(xué)性能弱的問題，斜梁支撐可以大大提升前端框架的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：前端框架；力學(xué)性能；優(yōu)化設(shè)計

0引言

前端框架是汽車集成化設(shè)計的重要部件，它是散熱器、冷凝器、中冷器等零件的安裝平臺[1]，是重要的安全部件，因此前端框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計要滿足嚴(yán)格的力學(xué)性能要求。作者的目的是介紹前端框架力學(xué)性能的分析方法及評價標(biāo)準(zhǔn)，以便于對設(shè)計的前端框架進行力學(xué)性能評估，從而驗證前端框架設(shè)計的可行性，最終設(shè)計出性能優(yōu)良的前端框架結(jié)構(gòu)。

1有限元分析

進行前端框架的有限元分析要經(jīng)過如下3個步驟：模型前處理→分析計算→結(jié)果后處理。

1.1模型前處理

用ANSA軟件建立前端框架的網(wǎng)格模型、定義材料參數(shù)、建立邊界條件等。

1.2分析計算

將力學(xué)分析模型輸入ABAQUS求解器進行分析計算。

1.3結(jié)果后處理

用HyperView軟件讀取分析結(jié)果的ODB文件[2]，以查看應(yīng)力是否超出材料的屈服強度、位移是否超出其目標(biāo)值。

2有限元模型建立

2.1網(wǎng)格劃分

利用ANSA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，采用多邊形網(wǎng)格，注意調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量，使其無細(xì)小單元、翹曲等問題。有限元模型如圖1所示。

2.2材料模型

材料本構(gòu)關(guān)系是有限元分析中重要的計算參數(shù)，只有輸入準(zhǔn)確的材料參數(shù)才能得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果。在靜態(tài)的剛度、強度及扭轉(zhuǎn)分析中只需輸入材料的彈性模量、泊松比和密度。前端框架結(jié)構(gòu)設(shè)計一般選材為PP玻纖增強材料或PA改性材料，具體選材應(yīng)依據(jù)其設(shè)計結(jié)構(gòu)及質(zhì)量要求而定。文中設(shè)計選用PA6改性材料。其常溫參數(shù)如表1所示。

進行前端框架力學(xué)性能分析時，還要給彈性模量及屈服強度乘以安全系數(shù)，以保障前端框架力學(xué)性能的可靠性。

2.3模擬螺栓連接

進行前端框架力學(xué)性能分析時，采用MPC模擬螺栓的剛性連接，連接方式如圖2所示。

2.4模擬主鎖

進行前端框架力學(xué)性能分析時，采用MPC模擬主鎖的剛性連接、外力加載到MPC的擬合點，注意將擬合點移動到主鎖的實際坐標(biāo)位置。主鎖模擬如圖3所示。

2.5約束的建立

該前端框架通過車身縱梁和防撞梁的夾持面安裝，如圖1所示，前端框架側(cè)邊梁中部各有4個安裝點與車身縱梁安裝，側(cè)邊梁上部各有4個安裝點與鈑金安裝，安裝點均采用Boundary約束6個自由度。

2.6載荷工況及評價標(biāo)準(zhǔn)

前端框架的扭轉(zhuǎn)分析及主鎖的剛度、強度分析是其關(guān)鍵的力學(xué)性能，下面介紹前端框架力學(xué)性能分析的工況載荷及評價標(biāo)準(zhǔn)。

2.6.1載荷工況

剛度分析。對前端框架主鎖中心點-Z向施加600 N作用力，模擬常規(guī)情況下引擎蓋對主鎖的作用力；

強度分析。對前端框架主鎖中心點+Z向施加5 000 N作用力，模擬發(fā)生碰撞事故機艙破壞時引擎蓋對主鎖的作用力；

扭轉(zhuǎn)分析。將前端框架一端全約束，另一端繞整車Y軸扭轉(zhuǎn)12°，模擬行車時左右車身縱梁前后擺動對前端框架的扭轉(zhuǎn)作用。扭轉(zhuǎn)工況模擬圖見圖4。

2.6.2評價標(biāo)準(zhǔn)

剛度分析。前端框架加載點-Z向變形小于1.2 mm，鎖區(qū)剛度大于500 N/mm。

強度分析。施加載荷后前端框架的內(nèi)部應(yīng)力小于材料的屈服強度，但允許局部有微裂紋；

扭轉(zhuǎn)分析。施加載荷后前端框架的內(nèi)部應(yīng)力小于材料的屈服強度，但允許局部有微裂紋。

3力學(xué)分析結(jié)果

圖1中前端框架結(jié)構(gòu)為方案一，針對方案一前端框架進行剛度分析，分析結(jié)果如圖5所示。

針對方案一前端框架進行強度分析，分析結(jié)果如圖6所示。

針對方案一前端框架進行扭轉(zhuǎn)分析，分析結(jié)果如圖7所示。

從以上的分析結(jié)果可知：方案一前端框架剛度分析時加載點位移為2.467 mm，強度分析時前端框架的最大應(yīng)力為322.9 MPa，扭轉(zhuǎn)分析最大應(yīng)力為403.2 MPa。

如表2所示，前端框架方案一的主鎖剛度、強度及扭轉(zhuǎn)分析結(jié)果均不滿足相關(guān)的力學(xué)性能要求。

4前端框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1原因分析

從方案一的分析結(jié)果可以看出：前端框架上梁剛度分析結(jié)果位移較大、強度分析結(jié)果應(yīng)力較大、扭轉(zhuǎn)分析結(jié)果應(yīng)力較大，主要原因是前端框架上梁缺少支撐，導(dǎo)致上梁的剛度較低、強度較差，上梁與兩側(cè)邊梁缺少銜接支撐導(dǎo)致前端框架抗扭轉(zhuǎn)性能較差。

4.2優(yōu)化方案

針對前端框架上梁剛度低、強度差、扭轉(zhuǎn)不合格的問題，對其上梁中部添加斜梁支撐，且斜梁下端搭接到前端框架的兩側(cè)邊梁，以提升前端框架的整體力學(xué)性能。優(yōu)化后前端框架的效果如圖8所示。

5優(yōu)化方案分析結(jié)果

圖8所示的前端框架的優(yōu)化設(shè)計為方案二，針對方案二進行力學(xué)性能分析，工況載荷及評價方法與方案一相同，剛度分析結(jié)果如圖9所示。

針對前端框架方案二進行強度分析，分析結(jié)果如圖10所示。

針對前端框架方案二進行扭轉(zhuǎn)分析，分析結(jié)果如圖11所示。

從以上的分析結(jié)果可知：前端框架方案二的剛度分析結(jié)果加載點位移為1.077 mm，強度分析結(jié)果最大應(yīng)力為73.74 MPa，扭轉(zhuǎn)分析結(jié)果最大應(yīng)力為71.09 MPa。

如表3所示，前端框架方案二的主鎖剛度、強度及扭轉(zhuǎn)分析結(jié)果均滿足相關(guān)的力學(xué)性能要求。

6結(jié)論

文中介紹了前端框架主鎖剛度、強度及扭轉(zhuǎn)的分析方法及評價標(biāo)準(zhǔn)，采用該方法對設(shè)計的前端框架進行力學(xué)性能分析，從而驗證前端框架設(shè)計的可行性，找出其設(shè)計結(jié)構(gòu)的薄弱位置并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。經(jīng)過反復(fù)修改驗證，最終設(shè)計出力學(xué)性能優(yōu)良的前端框架，避免了完全依賴經(jīng)驗的設(shè)計方法。

國內(nèi)某車企在進行前端框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，正是采用了文中的分析方法及評價標(biāo)準(zhǔn)，最終設(shè)計出滿足力學(xué)性能要求的前端框架，避免了整車銷售后客戶反饋才進行零件問題整改的局面，大大降低了整車的研發(fā)周期和成本。

參考文獻(xiàn):

【1】杭飛.復(fù)合結(jié)構(gòu)的汽車前端模塊研究[J].上海汽車，2011(12):22.

【2】張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)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

作者簡介：孫玉紅(1985—)，女，本科，工程師，研究方向為車輛工程。E-mail：huyuanhanghgc@163.com。

中圖分類號:U463.83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)03-036-04