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基于Hypermesh有限元分析的外饰塑件轻量化设计
作者：潘杰花
来源：《企业科技与发展》2016年第04期
（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）
【摘 要】文章提出基于Hypermesh有限元分析的外饰塑件轻量化设计方法，以某企业前蒙皮进气格栅为例，提出基于感知质量标准和有限元分析的轻量化流程，通过刚度有限元分析和感知质量评估，确定优化方案，并对轻量化后的前蒙皮进气格栅进行各项性能的评估，在保证轻量化后力学性能和感知质量不降低的前提下，减重效果显著，同时节约了成本。该方法应用于某企业汽车生产，验证了该方法的可行性和有效性。 【关键词】Hypermesh；有限元；塑件；轻量化
【中图分类号】U463.83 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）04-0025-05 0 引言
随着人们生活水平的不断提高，汽车在人们的生活和工作中扮演着举足轻重的作用。汽车保有量与日俱增，带来了能源短缺、环境污染等一系列日益突出的问题，节能、环保已成为世界汽车工业领域面临的两大棘手问题。而汽车轻量化已经成为各国推进汽车行业节能减排的主要手段之一，对于车身钣金件的轻量化研究有很多，应用CAE等分析工具也是常采用的手段。例如，刘金钊等人以一款低速电动乘用车为研究对象，提出了基于一维搜索的车身轻量化设计方法，对车身结构进行轻量化优化设计[1]。对于塑件而言，大部分学者和企业都关注原材料[2]，对于塑料零件结构的轻量化设计研究不多。而外观塑料零件除了担负起相应的功能之外，还要求外观感知质量要好。目前，外观塑件的轻量化研究不多，采用有限元分析技术实现汽车外观塑料零件轻量化设计的研究更是鲜见。
本文以某汽车企业某款轿车前蒙皮进气格栅为例，采用Hypermesh有限元分析，对前蒙皮进气格栅结构在不同工况下进行刚度分析，找出满足感知、刚度及轻量化要求的平衡点，实现前蒙皮进气格栅的轻量化设计，研究外观塑料零部件轻量化。 1 有限元分析理论
前蒙皮进气格栅处于前蒙皮总成正中部位置，在车辆受到外部碰撞时，前蒙皮进气格栅要有弹性变形以保护后部零件不受撞坏的能力。同时，前蒙皮进气格栅是网格状，客户在看车
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时，都喜欢下意识地用手拉网格，如果网格刚度弱，就会让客户感觉缺少安全感，满意度下降。无论是功能方面还是感知质量方面，都要求前蒙皮进气格栅有足够的刚度。
运用有限元法进行例如前蒙皮进气格栅等塑件刚度问题的分析求解时，可将零件看成弹性体，计算出功和能[3]。在载荷作用下，弹性体体内任意一点的应力状态，可分成6个应力分量表示，应力分量及其正方向如图1所示。 1.1 应变与位移的关系——几何方程 1.1.1 单向应变状态 （1）
1.1.2 双向应变状态 （2）
1.1.3 三向应变状态 （3）
1.2 应力与应变的关系——物理方程 1.2.1 单向应力状态 σx=Eεx（4） 1.2.2 双向应力状态 （5） （6） （7）
1.2.3 三向应力状态 （8） （9） （10）
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（11） （12） （13） 1.3 虚功原理
分析系统中，虚功原理要求接受分析的零部件结构在施加约束和承受内外力的作用下处于稳定的平衡状态[3]，虚功原理如公式（14）所示： Wext=Wint（14）
在计算分析前期处理时，施加约束能够允许结构有微小的变形位移，外力方向没有变化，结构依然处于平衡状态，这个变形位移我们称之为虚位移。 2 基于感知质量标准和有限元分析的轻量化流程图
前蒙皮进气格栅为满足散热器和重量器等空电零件进气量需求，都要有开孔，但是同时又不能外露太多后部零件。因此，在满足刚度和轻量化需求的同时，要满足后部零件外露静态感知质量标准。
静态感知质量是指在车辆未启动状态下，客户能感知（包含看、听、摸、闻）到的质量，是给客户最大程度的愉悦质量。它用于评价车辆是否满足制造质量要求。 某汽车企业车辆前部感知质量评审视野标准如图2所示。
感知质量评审视野要求：人在离车头最外端2 m处面对评价对象站立，以5%女性站立眼球高度、95%男性站立眼球高度来评价眼球高度，女性取1 420 mm，男性取1 820 mm。 对于格栅网格类造型进气格栅后部零件外露感知标准，从设计角度来看更为严格，除满足在感知质量评审视野范围内的美观要求外，还要满足以下标准：以网格最低点做平行于地面（整车坐标X轴）的直线，命名X线，OA线是与X线有30°夹角的线，在X线和OA线之间的区域（红斜线）为格栅后面可见区域，OA线以下为不可见（如图3所示）。网格后部零件感知评价要求下端网格翻边边界在OA线以上。
本文提出外观塑料零件轻量化简要思路如图4所示，首先利用有限元分析确定目标零部件，建立尺寸优化函数计算零部件刚度，然后依据约束条件和感知质量评审标准对优化方案进行评估。
3 实例应用研究