在汽車前端模塊支架設(shè)計中的應(yīng)用

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1、Altair2012HyperWorks技術(shù)大會論文集OptiStruct在汽車前端模塊支架設(shè)計中的應(yīng)用李明哲邱智學(xué)敏實集團(tuán)研發(fā)中心寧波315800摘要:本論文探討了在汽車全塑或復(fù)合材料前端模塊支架設(shè)計中，Altair公司的優(yōu)化分析軟件OptiStruct的應(yīng)用。OptiStruct在設(shè)計布局以及輕量化過程中都起到了非常大的作用，為前端模塊支架設(shè)計給出了具體設(shè)計參數(shù)。降低了重量的同時進(jìn)一步增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的安全性以及經(jīng)濟(jì)性。在一些復(fù)合前端模塊支架中，對于一些起到連接加強(qiáng)作用的鈑金件，OptiStruct可以對其進(jìn)行形貌優(yōu)化，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的剛度。關(guān)鍵詞:OptiStruct，前端

2、模塊支架，優(yōu)化設(shè)計，剛度，形貌優(yōu)化1概述現(xiàn)在汽車廠商越來越注重節(jié)能減排，降低整車質(zhì)量，并且進(jìn)一步需要考慮汽車部件集成化和模塊化。這樣形成了汽車前端部件的一個模塊化，在材料研發(fā)技術(shù)的強(qiáng)有力支持下，也越來越流行塑料和金屬結(jié)合的復(fù)合前端模塊支架，甚至全塑前端模塊支架。復(fù)合以及全塑前端模塊支架的出現(xiàn)極大的方便了整車前端部件的安裝集成，提高了生產(chǎn)效率以及維修成本。之前靠金屬焊接在一起的結(jié)構(gòu)，通常都需要十幾個甚至數(shù)十個金屬件，通過數(shù)十道工序成型。除了工序上非常的繁瑣，還需要非常多的成型設(shè)備以及工裝來滿足，同時也帶來了更多的工時，增加了人力成本。而塑料前端模塊的出現(xiàn)，在汽車前端部件

3、的集成度上得到了大大地提升，工序也非常簡單，不僅節(jié)省了不少設(shè)備及工裝，更進(jìn)一步降低了大量的人力物力。復(fù)合及全塑前端模塊支架的另一重大優(yōu)點就是降低了重量?？捎稍鹊氖喙餃p輕50%以及更多的重量。但是在重量降低的同時，由于材料性能的差異性，也隨之導(dǎo)致了一個缺點，即塑料前端模塊支架的剛性相對鐵件而言下降了很多。所以在塑料前端模塊支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤為重要。經(jīng)過優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)不僅可以降低重量，甚至可能更進(jìn)一步增強(qiáng)其剛性。在借助強(qiáng)大的優(yōu)化軟件OptiStruct的功能下，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化更加合理，最大程度減輕重量，并幫助設(shè)計工程師及CAE工程師更加高效完成設(shè)計工作。-1-Altair

4、2012HyperWorks技術(shù)大會論文集2汽車前端模塊支架設(shè)計中的優(yōu)化在全塑汽車前端模塊的設(shè)計中，通常先會在設(shè)計空間中進(jìn)行布局。主要選擇承載的截面形狀以及加強(qiáng)筋的布置。在這方面主要還是由前端模塊支架的功能上決定，取決于需要承載的部件大小、重量以及裝配方式等。其中主要結(jié)構(gòu)為C形和工字形截面。而筋的布置則需要看重其位置承載的重要性而決定。但是通?？梢砸砸环N比較固定一致的方式進(jìn)行排列。2.1壁厚優(yōu)化在完成了初期的布局之后，在設(shè)計中最難點便是壁厚的大小。OptiStruct中可以將所需要進(jìn)行優(yōu)化的殼單元的屬性進(jìn)行厚度的尺寸優(yōu)化，找到滿足載荷要求下約束限制的壁厚，并通過多次迭

5、代計算，找到滿足要的優(yōu)化解。下面以一個簡單的前端模塊支架為例，展示壁厚優(yōu)化的過程和結(jié)果。下圖2-1為某個前端模塊支架的布局模型。圖2-1前端模塊支架布局模型將模型導(dǎo)入HyperMesh中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分之后，對其殼單元厚度進(jìn)行初期定義。按照經(jīng)驗將主體壁厚即C形和工字形截面的壁厚設(shè)置為3.0mm，其中加強(qiáng)筋的壁厚設(shè)置為1.5mm。通過計算其重量為3.43Kg。然后對其進(jìn)行加載，檢查結(jié)果是否滿足要求。經(jīng)過計算，只有在鎖扣拉力最大為2500N的情況下變形稍微超出了最大變形量，其結(jié)構(gòu)的局部剛度要小于要求。而在大燈臂受力上，變形量遠(yuǎn)小于最大變形量，說明其結(jié)構(gòu)的局部剛度要遠(yuǎn)大于要求

6、。這樣也充分說明了有進(jìn)一步優(yōu)化的空間?，F(xiàn)進(jìn)一步將各個區(qū)域上的殼單元屬性細(xì)分，并將殼單元厚度設(shè)定為設(shè)計優(yōu)化變量。其設(shè)定范圍為0.01mm至3.5mm，每0.5mm為一個變化檔位。其屬性完成后的模型如下圖2-2所示。-2-Altair2012HyperWorks技術(shù)大會論文集圖2-2前端模塊支架優(yōu)化分析模型通過定義好在載荷下合適的響應(yīng)、約束以及優(yōu)化目標(biāo)。變可以通過OptiStruct進(jìn)行優(yōu)化分析求解。在HyperView中查看的結(jié)果如下所示：初期壁厚分布圖，見圖2-3。初始重量為3.43Kg。圖2-3初期壁厚分布在FeasibleDesign的情況下，其最后一步迭代步壁厚

7、分布圖見圖2-4所示?？梢栽?out文件中查看最后一步迭代步中，壁厚優(yōu)化后模型的重量為2.52Kg。-3-Altair2012HyperWorks技術(shù)大會論文集圖2-4優(yōu)化后壁厚分布可見在優(yōu)化前后，不僅全部能夠滿足載荷中所設(shè)定約束范圍，而且重量也有顯著的降低。由優(yōu)化前的3.43Kg減輕為2.52Kg。有部分優(yōu)化之后的壁厚小于0.5mm以下，基本沒有制造加工性，所以可以考慮將壁厚增厚或者是去除。并且在設(shè)計過程中要考慮到相同或相近部位筋的厚度的一致性，以及實際生產(chǎn)中的工藝需求，所以部分壁厚還需要進(jìn)行調(diào)整，通常在調(diào)整之后，整體質(zhì)量會有所增加。但是最終結(jié)果還