汽车全塑前端框架拓扑优化研究

    1 概述

    随着新车市场开发的快速化发展，汽车零部件开发周期急剧缩短，作为汽车重要零部件产品之一的前端框架，其性能指标种类繁多，目标要求也十分严格。因此，要在有限的开发周期内设计出满足所有性能指标且重量最优化的全塑前端框架，其难度可想而知。

    本文借助Altair HyperWorks 软件中的HyperMesh 对汽车全塑前端框架进行前处理，运用OptiStruct 求解器模块进行拓扑优化分析，通过对全塑前端框架进行多次拓扑优化分析后，得到满足所有性能工况且重量最优的造型数据，指导3D数据设计。本方法下的全塑前端框架同比早期开发的产品，周期更短，重量最轻，且结构满足所有性能指标。

    2 拓扑优化数学模型的建立

    连续体结构拓扑优化数学模型如公式（1）所示：

    3 拓扑优化有限元模型的建立

    3.1 网格划分

    为了反映拓扑优化后前端框架加强筋的宽度以及料厚的分布情况，设计前端框架拓扑优化分析的单元类型为四面体网格，单元尺寸大小为1.5mm，其余金属部件（除拉铆螺母、嵌件等部件）抽取中面进行四边形网格划分，单元尺寸为4.0mm。

    3.2 材料与属性

    计算中所使用的材料参数见表1，长度单位为：mm。全塑前端框架真实应力-应变关系曲线如图1所示，考虑玻纤取向的影响，因此，其弹性模量选择玻纤45°方向。

    表1 材料参数

    图1 全塑前端框架真实应力-应变关系曲线

    3.3 边界条件及载荷工况

    约束：与车身环境件安装孔连接处采用固定约束，金属部件之间以及前防撞梁的连接采用刚性连接以及焊接处理。

    载荷：常温，锁扣刚度，锁扣受力，F+x=1000N，F+z=1000N；锁扣强度，锁扣受力，F+z=3500N；高温80℃，散热器安装点刚度，F+x=600N，F-z=600N。

    控制条件：各个工况下全塑前端框架的位移变形和断裂强度，一阶固有频率。

    约束条件：锁扣刚度，全塑前端框架X 向最大变形量≤7mm，Z 向最大变形量≤2mm，最大应力≤75×0.8=60MPa；一阶固有频率≥35Hz；高温下，散热器安装点最大变形量≤1mm。

    目标：设计区域总体积最小。

    3.4 拓扑优化有限元模型

    全塑前端框架拓扑优化模型分为设计区与非设计区，设计区即为拓扑优化区，非设计区为安装孔位置、空滤进口位置、所有金属部件。其拓扑优化模型如图2所示：