摘 要：本文首先對某一款轎車前艙蓋總成進行有限元分析，采用HyperMesh/OptiStruct對不合格項進行拓撲優化，最后利用MeshWorks軟件對內板加強筋進行參數化設計及分析，找到影響前艙蓋剛度的主要因素。在此基礎上進行優化設計，在提升模態剛度的同時減輕了重量。 

關鍵詞：前艙蓋 有限元分析 拓撲優化 參數化 

概述 

      汽車前艙蓋總成是汽車的重要組成部分，它既起到空氣導流作用，又保護發動機及周邊管線配件等，還可以充分防止沖擊、腐蝕、雨水以及電干擾等不利影響，它在結構上一般由外板和內板組成，內板起到增強剛度的作用，屬于一種骨架式結構。在設計中要求前艙蓋總成模態和剛度滿足實際需要且質量最輕，否則影響車輛的整體安全性與NVH性能。 

      鑒于前艙蓋總成在現代汽車設計中的重要性，本文主要通過有限元分析方法，利用HyperMesh建立有限元離散模型和前處理工作，采用有限元求解器進行計算求解。通過分析結果對比，利用OptiStruct與MeshWorks軟件在不改變前艙蓋整體外形的情況下對前艙蓋總成進行結構優化設計，并運用有限元求解器對最終優化后的前艙蓋進行抗凹性能檢驗。 

1 模型概況 

      前艙蓋總成有限元模型以鈑金件為主，模型主要采用殼單元和實體單元進行建模：其中殼單元總共25189個，實體單元9440個。前艙蓋鈑金件之間的連接主要采用CWELD單元、RBE2單元、膠單元及節點重合等，鉸鏈銷軸則采用CBEAM單元模擬。前艙蓋總成質量為17.5kg，模型的材料屬性見表1-1，其中前艙蓋總成結構有限元模型如下圖1-1所示。

           

                  

2 模型分析 

2.1前艙蓋的約束模態分析 

      主要通過約束前艙蓋鎖以及鉸鏈安裝點處的自由度，模擬前艙蓋固定在車身上的鎖止狀態從而計算其約束模態，計算結果見表2-1所示，其位移云圖與應變能云圖見圖2-1、2-2所示。從分析可知第一階約束模態較低不滿足設計要求。

   

  

2.2前艙蓋剛度分析 

      剛度分析主要考察六種工況：（1）扭轉剛度1（約束前艙蓋鎖）；（2）扭轉剛度2（約束緩沖塊）；（3）橫向剛度；（4）內板側梁中點處側梁剛度；（5）前梁剛度；（6）后梁剛度。剛度分析考察點位置如圖2-3所示，考察不同位置點處在不同工況與不同載荷下的抵抗變形能力。由計算結果表2-2可知六種剛度分析中前艙蓋總成橫向剛度不滿足要求。

3 前艙蓋內板結構優化分析 

由上面分析可知本前艙蓋總成約束模態與橫向剛度均不滿足設計要求，且前艙蓋總成質量較重，需要對前艙蓋總成進行優化改進。對于前艙蓋總成來說，外板及鉸鏈的形狀一般不可以改變，可以對其他組成件優化，包括其形狀和材料厚度。本文在保證前艙蓋總成外板形狀不變的情況下，對前艙蓋內板及加強件結構進行優化和減重設計?，F實中，前艙蓋內板結構多種多樣，這里僅考察內板結構優化設計對前艙蓋總成模態與剛度的提升影響，具體方法如下： 

方案一：根據上面分析中的應變能分布以及實際情況，對內板加強筋進行部分修改，如圖3-1所示，模型質量為16.9kg計算結果如表3-1所示，其模態分析應變能云圖見圖3-2所示。由計算可知其一階模態與橫向剛度依舊不滿足設計要求，需要進一步進行優化改進。

      從表3-2計算結果可知，加強筋寬度以及內板側邊梁寬度對前艙蓋的模態及橫向剛度影響較大，且影響趨勢在設定的參數化范圍內并不是線性變化的。于是，對參數化方案進行組合優化，得到最終的加強筋的尺寸設計方案如圖3-6所示。最終的設計方案對部分零件的料厚進行調整優化，最終狀態的前艙蓋總成質量為15.5kg，比原設計減輕約11.4%。其模態剛度計算結果如表3-3所示。

      由表3-3可知，方案二在減重與模態剛度分析中結果較為理想，其一階模態與剛度均基本滿足設計要求，且在減重上比其他方案較為理想，故最終選定為設計方案。再對方案二進行抗凹性能驗證，其驗證取點位置如圖3-7所示，其抗凹分析結果見表3-4所示，其抗凹性均滿足強度要求，但其抗凹性能與行人保護頭部碰撞分析有待進一步研究驗證。

              

              

4 結論 

      通過對前艙蓋的優化設計分析找到了最優設計方案，該方案可使前艙蓋總成模態提高18%，側向剛度提高26%，前艙蓋總成重量減輕11.4%。且優化后的前艙蓋總成抗凹性能滿足設計要求。本優化方法可以對前艙蓋總成設計產生積極的指導作用，在設計初期可以大大節約新產品的設計資源，并提升設計質量和效率。