基于Hypermesh有限元分析的外飾塑件輕量化設(shè)計(jì)

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

【摘 要】文章提出基于Hypermesh有限元分析的外飾塑件輕量化設(shè)計(jì)方法，以某企業(yè)前蒙皮進(jìn)氣格柵為例，提出基于感知質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和有限元分析的輕量化流程，通過剛度有限元分析和感知質(zhì)量評(píng)估，確定優(yōu)化方案，并對(duì)輕量化后的前蒙皮進(jìn)氣格柵進(jìn)行各項(xiàng)性能的評(píng)估，在保證輕量化后力學(xué)性能和感知質(zhì)量不降低的前提下，減重效果顯著，同時(shí)節(jié)約了成本。該方法應(yīng)用于某企業(yè)汽車生產(chǎn)，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

【關(guān)鍵詞】Hypermesh；有限元；塑件；輕量化

【中圖分類號(hào)】U463.83 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）04-0025-05

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車在人們的生活和工作中扮演著舉足輕重的作用。汽車保有量與日俱增，帶來了能源短缺、環(huán)境污染等一系列日益突出的問題，節(jié)能、環(huán)保已成為世界汽車工業(yè)領(lǐng)域面臨的兩大棘手問題。而汽車輕量化已經(jīng)成為各國推進(jìn)汽車行業(yè)節(jié)能減排的主要手段之一，對(duì)于車身鈑金件的輕量化研究有很多，應(yīng)用CAE等分析工具也是常采用的手段。例如，劉金釗等人以一款低速電動(dòng)乘用車為研究對(duì)象，提出了基于一維搜索的車身輕量化設(shè)計(jì)方法，對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。對(duì)于塑件而言，大部分學(xué)者和企業(yè)都關(guān)注原材料[2]，對(duì)于塑料零件結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)研究不多。而外觀塑料零件除了擔(dān)負(fù)起相應(yīng)的功能之外，還要求外觀感知質(zhì)量要好。目前，外觀塑件的輕量化研究不多，采用有限元分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車外觀塑料零件輕量化設(shè)計(jì)的研究更是鮮見。

本文以某汽車企業(yè)某款轎車前蒙皮進(jìn)氣格柵為例，采用Hypermesh有限元分析，對(duì)前蒙皮進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)在不同工況下進(jìn)行剛度分析，找出滿足感知、剛度及輕量化要求的平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)前蒙皮進(jìn)氣格柵的輕量化設(shè)計(jì)，研究外觀塑料零部件輕量化。

1 有限元分析理論

前蒙皮進(jìn)氣格柵處于前蒙皮總成正中部位置，在車輛受到外部碰撞時(shí)，前蒙皮進(jìn)氣格柵要有彈性變形以保護(hù)后部零件不受撞壞的能力。同時(shí)，前蒙皮進(jìn)氣格柵是網(wǎng)格狀，客戶在看車時(shí)，都喜歡下意識(shí)地用手拉網(wǎng)格，如果網(wǎng)格剛度弱，就會(huì)讓客戶感覺缺少安全感，滿意度下降。無論是功能方面還是感知質(zhì)量方面，都要求前蒙皮進(jìn)氣格柵有足夠的剛度。

運(yùn)用有限元法進(jìn)行例如前蒙皮進(jìn)氣格柵等塑件剛度問題的分析求解時(shí)，可將零件看成彈性體，計(jì)算出功和能[3]。在載荷作用下，彈性體體內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，可分成6個(gè)應(yīng)力分量表示，應(yīng)力分量及其正方向如圖1所示。

1.1 應(yīng)變與位移的關(guān)系——幾何方程

1.1.1 單向應(yīng)變狀態(tài)

（1）

1.1.2 雙向應(yīng)變狀態(tài)

（2）

1.1.3 三向應(yīng)變狀態(tài)

（3）

1.2 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系——物理方程

1.2.1 單向應(yīng)力狀態(tài)

σx=Eεx（4）

1.2.2 雙向應(yīng)力狀態(tài)

（5）

（6）

（7）

1.2.3 三向應(yīng)力狀態(tài)

（8）

（9）

（10）

（11）

（12）

（13）

1.3 虛功原理

分析系統(tǒng)中，虛功原理要求接受分析的零部件結(jié)構(gòu)在施加約束和承受內(nèi)外力的作用下處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)[3]，虛功原理如公式（14）所示：

Wext=Wint（14）

在計(jì)算分析前期處理時(shí)，施加約束能夠允許結(jié)構(gòu)有微小的變形位移，外力方向沒有變化，結(jié)構(gòu)依然處于平衡狀態(tài)，這個(gè)變形位移我們稱之為虛位移。

2 基于感知質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和有限元分析的輕量化流程圖

前蒙皮進(jìn)氣格柵為滿足散熱器和重量器等空電零件進(jìn)氣量需求，都要有開孔，但是同時(shí)又不能外露太多后部零件。因此，在滿足剛度和輕量化需求的同時(shí)，要滿足后部零件外露靜態(tài)感知質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

靜態(tài)感知質(zhì)量是指在車輛未啟動(dòng)狀態(tài)下，客戶能感知（包含看、聽、摸、聞）到的質(zhì)量，是給客戶最大程度的愉悅質(zhì)量。它用于評(píng)價(jià)車輛是否滿足制造質(zhì)量要求。

某汽車企業(yè)車輛前部感知質(zhì)量評(píng)審視野標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。

感知質(zhì)量評(píng)審視野要求：人在離車頭最外端2 m處面對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象站立，以5%女性站立眼球高度、95%男性站立眼球高度來評(píng)價(jià)眼球高度，女性取1 420 mm，男性取1 820 mm。

對(duì)于格柵網(wǎng)格類造型進(jìn)氣格柵后部零件外露感知標(biāo)準(zhǔn)，從設(shè)計(jì)角度來看更為嚴(yán)格，除滿足在感知質(zhì)量評(píng)審視野范圍內(nèi)的美觀要求外，還要滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：以網(wǎng)格最低點(diǎn)做平行于地面（整車坐標(biāo)X軸）的直線，命名X線，OA線是與X線有30°夾角的線，在X線和OA線之間的區(qū)域（紅斜線）為格柵后面可見區(qū)域，OA線以下為不可見（如圖3所示）。網(wǎng)格后部零件感知評(píng)價(jià)要求下端網(wǎng)格翻邊邊界在OA線以上。

本文提出外觀塑料零件輕量化簡要思路如圖4所示，首先利用有限元分析確定目標(biāo)零部件，建立尺寸優(yōu)化函數(shù)計(jì)算零部件剛度，然后依據(jù)約束條件和感知質(zhì)量評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)估。

3 實(shí)例應(yīng)用研究

3.1 幾何模型建立

采用軟件UG9.0完成前蒙皮進(jìn)氣格柵的幾何建模工作。前蒙皮進(jìn)氣格柵整體外觀如圖5所示，由造型A面得出的數(shù)據(jù)，前蒙皮進(jìn)氣格柵網(wǎng)格X向的厚度約20 mm（如圖6所示）。網(wǎng)格X向的深度較深，進(jìn)氣格柵比較厚實(shí)，強(qiáng)度高度均好，客戶感知較高；但是，前蒙皮進(jìn)氣格柵網(wǎng)格X向深度深帶來的是重量大的后果，因此要在滿足感知的和剛度的基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)更改。

根據(jù)靜態(tài)感知質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)上的評(píng)估發(fā)現(xiàn)，前蒙皮進(jìn)氣格柵6根網(wǎng)格中，X向深度最小為13.5 mm、最大為15.6 mm，即可滿足外觀感知要求（如圖7所示）。因此，設(shè)計(jì)者選取網(wǎng)格深度20 mm、15 mm、10 mm進(jìn)行剛度分析。

3.2 基于Hypermesh的有限元模擬分析及結(jié)果

前蒙皮進(jìn)氣格柵作為前蒙皮總成的一個(gè)子集零件，要與前蒙皮總成作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。采用Hypermesh為有限元前處理器，求解器為nastran。將不同網(wǎng)格深度的前蒙皮進(jìn)氣格柵網(wǎng)格的3D幾何模型導(dǎo)入分析軟件，前蒙皮進(jìn)氣格柵的具體尺寸為941 mm×160 mm×96 mm，前蒙皮總成與前蒙皮進(jìn)氣格柵材料屬性見表1，定義單元類型。分析模型包括前保、格柵、部分前車架，霧燈總成用質(zhì)量點(diǎn)模擬。同時(shí)，將前蒙皮進(jìn)氣格柵與前蒙皮總成連接面進(jìn)行全約束（如圖8所示）。

根據(jù)汽車行駛時(shí)前蒙皮進(jìn)氣格柵受力實(shí)際情況和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，前蒙皮進(jìn)氣格柵剛度目標(biāo)>20 N/mm，剛度分析設(shè)置加載點(diǎn)4個(gè)點(diǎn)。本次分析分別在圖9所示的4個(gè)點(diǎn)施力，加載沿表面法線向下的100 N力（如圖10所示），加載面積為4 cm2。

根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和前蒙皮進(jìn)氣格柵在實(shí)際車輛使用中的受力情況，分析設(shè)置3種工況，各種工況見表2。通過計(jì)算，得到不同X向網(wǎng)格深度、不同工況結(jié)果見表3。

計(jì)算出3個(gè)方案4個(gè)受力點(diǎn)在不同工況下的剛度分析結(jié)果（見表4）。

從剛度分析結(jié)果可以得出結(jié)論：方案1和方案2均滿足剛度要求，方案1最優(yōu)，方案2次之，方案3不滿足要求。

同時(shí)，根據(jù)網(wǎng)格感知質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估不同方案后部零件可見性，結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯觯桨?和方案2的各級(jí)網(wǎng)格下端翻邊邊界在OA線以上，而方案3的各級(jí)網(wǎng)格下端翻邊邊界在OA線以下，不符合感知質(zhì)量要求。

3.3 優(yōu)化結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)上述分析結(jié)果，輕量化設(shè)計(jì)采用方案2。目標(biāo)車型優(yōu)化前后的前蒙皮進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度和感知質(zhì)量評(píng)估對(duì)比見表5。

前蒙皮進(jìn)氣格柵最小剛度滿足要求，后部零件可見性評(píng)估也滿足感知要求，而前蒙皮進(jìn)氣格柵質(zhì)量下降28.91%，滿足了輕量化的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文以目標(biāo)車型前蒙皮進(jìn)氣格柵為應(yīng)用對(duì)象，研究基于Hypermesh有限元分析的外飾塑件輕量化技術(shù)，提出基于感知質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和有限元分析的輕量化流程；對(duì)原車前蒙皮進(jìn)氣格柵感知?jiǎng)偠群透兄|(zhì)量情況進(jìn)行研究，提出輕量化方案，并對(duì)輕量化后前蒙皮進(jìn)氣格柵質(zhì)量、剛度進(jìn)行評(píng)估，在保證輕量化后力學(xué)性能和感知質(zhì)量不降低的前提下，減重效果顯著，同時(shí)節(jié)約了成本。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉金釗，焦學(xué)健.基于一維搜索的車身輕量化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015，4（53）：28-32.

[2]王穎，王寧，陳占春，等.提高汽車塑料件強(qiáng)度的方法[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2015，2（253）：50-52.

[3]馮博.基于Hypermesh的某輕型客車中滑門剛度分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，4（51）：2-5.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]

【作者簡介】潘杰花，女，廣西賀州人，碩士，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師。