1 概述

隨著新車市場開發的快速化發展，汽車零部件開發周期急劇縮短，作為汽車重要零部件產品之一的前端框架，其性能指標種類繁多，目標要求也十分嚴格。因此，要在有限的開發周期內設計出滿足所有性能指標且重量最優化的全塑前端框架，其難度可想而知 ^[1-2]。

本文借助Altair HyperWorks軟件中的HyperMesh對汽車全塑前端框架進行前處理，運用OptiStruct求解器模塊進行拓撲優化分析^[3]，通過對全塑前端框架進行多次拓撲優化分析后，得到滿足所有性能工況且重量最優的造型數據，指導3D數據設計。本方法下的全塑前端框架同比早期開發的產品，周期更短，重量最輕，且結構滿足所有性能指標^[4]。

2 拓撲優化數學模型的建立

連續體結構拓撲優化數學模型如公式（1）所示：

3 拓撲優化有限元模型的建立

3.1 網格劃分

為了反映拓撲優化后前端框架加強筋的寬度以及料厚的分布情況，設計前端框架拓撲優化分析的單元類型為四面體網格，單元尺寸大小為1.5mm，其余金屬部件（除拉鉚螺母、嵌件等部件）抽取中面進行四邊形網格劃分，單元尺寸為4.0mm。

3.2 材料與屬性

計算中所使用的材料參數見表1，長度單位為：mm。全塑前端框架真實應力-應變關系曲線如圖1所示，考慮玻纖取向的影響，因此，其彈性模量選擇玻纖45°方向。

表1材料參數

零件名稱	彈性模量/MPa	材料密度kg/m3	泊松比	拉伸強度/MPa
全塑前端框架	4338	1.12   e+3	0.34	75
金屬部件	2.1   e+5	7.85   e+3	0.30	330

                    圖1 全塑前端框架真實應力-應變關系曲線

3.3 邊界條件及載荷工況

約束：與車身環境件安裝孔連接處采用固定約束，金屬部件之間以及前防撞梁的連接采用剛性連接以及焊接處理。

載荷：常溫，鎖扣剛度，鎖扣受力，F_+x=1000N，F_+z=1000N；鎖扣強度，鎖扣受力，F_+z=3500N；高溫80℃，散熱器安裝點剛度，F_+x=600N，F_-z=600N^[7]。

控制條件：各個工況下全塑前端框架的位移變形和斷裂強度，一階固有頻率。

約束條件：鎖扣剛度，全塑前端框架X向最大變形量≤7mm，Z向最大變形量≤2mm，最大應力≤75×0.8=60MPa；一階固有頻率≥35Hz；高溫下，散熱器安裝點最大變形量≤1mm。

目標：設計區域總體積最小。

3.4 拓撲優化有限元模型

全塑前端框架拓撲優化模型分為設計區與非設計區，設計區即為拓撲優化區，非設計區為安裝孔位置、空濾進口位置、所有金屬部件。其拓撲優化模型如圖2所示：

                        圖2 全塑前端框架拓撲優化模型

4 分析結果

4.1 第一次拓撲優化分析結果

通過拓撲優化分析，得到全塑前端框架密度分布云圖，將密度結果分布云圖以STL格式導出，再通過三維軟件進行3D數據設計，如圖3所示：

              圖3 第一次拓撲優化密度分布云圖及3D數據結果

鎖扣剛度工況，全塑前端框架拓撲優化前后變形分布云圖如圖4所示：

             圖4 鎖扣剛度工況，全塑前端框架拓撲優化前后變形分布云圖

由圖3、圖4可以看出：全塑前端框架密度分布圖為“人”字造型，并且與兩側橫梁有連接，拓撲優化后結果滿足性能指標，第一次拓撲優化的3D數據，全塑前端框架重量為4.517Kg。

4.2 第二次拓撲優化分析結果

考慮到散熱器進排氣系統的影響，“人”字造型結構截面過大，因此，需進一步拓撲優化，一方面是為了最大程度的實現全塑前端框架的輕量化，另一方面是為了滿足散熱器的排氣量。第二次拓撲優化是在第一次3D數據上直接進行的，控制條件、約束條件及目標方程與第一次拓撲優化相同。拓撲優化密度分布云圖及3D數據結果如圖5所示：

                  圖5 第二次拓撲優化密度分布云圖及3D數據結果

拓撲優化后，鎖扣剛度、鎖扣強度、一階模態如圖6所示：

                  圖6 不同工況下，拓撲優化后全塑前端框架結果圖

    由圖5、圖6可以看出：全塑前端框架密度分布圖同樣為“人”字造型，并且與兩側橫梁有連接，拓撲優化后結果滿足性能指標，第二次拓撲優化的3D數據，全塑前端框架重量為3.658Kg，同比第一次3D數據減輕19%，且滿足散熱器進排氣量要求。

5 分析與結論

運用Altair HyperWorks軟件中的HyperMesh前處理模型，OptiStruct求解器對汽車全塑前端框架結構進行拓撲優化設計，一方面可以指導產品設計，且所設計出結構能夠滿足所有性能指標，另一方面可以縮短研發周期，提升產品在市場中的競爭力，且設計出的結構能夠最大程度滿足輕量化要求。分析結論表明：

（1）拓撲優化的密度分布云圖STL結果可以有效的指導產品進行3D數據設計；

（2）運用拓撲優化設計，可有效的縮短產品研發周期，降低成本，提高市場競爭力；

（3）在滿足所有性能指標的前提下，第二次拓撲優化結果數據同比第一次拓撲優化結果數據減輕19%。

6 參考文獻

[1] 蔡章恒，牟雪雷，楊晶晶.全塑前端框架有限元分析.研究與開發[J]，2016，（12）：37-40.

[2] 孫玉紅，胡遠航，齊賀，等.汽車前端框架力學性能分析與優化設計. 研究與開發[J]，2015，（12）：36-39.

[3] 王鈺棟，金磊，洪清泉，等.HyperMesh&HyperView應用技巧與高級實例[M]. 北京：機械工業出版社，2012，（08）：325-331.

[4] 李翠萍，孫玉紅，牟雪雷，等.汽車前端框架上梁拓撲優化設計.汽車工程師[J]，2015，（9）：37-39.

[5] Sui Yunkang，Yang Deqing. A new method for structural topological optimization based on the concept of independent continuous variables and smooth model. ACTA Mechanica Sinica, 1998, 18(2):179-185.

[6] 楊德慶，劉正興，隋允康.連續體結構拓撲優化設計的ICM方法.上海交通大學學報，1999，（6）：9-15.

[7] 丁素芳，賡海鋒.汽車全塑前端模塊支架剛度的研究.現代制造工程[J]，2012，（4）：35-39.