基于精益設(shè)計的前端框架輕量化方案

俊兒1966 2020-12-11

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源：《汽車實用技術(shù)》

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作為汽車前部較早應(yīng)用輕量化技術(shù)的半結(jié)構(gòu)件，前端框架的輕量化經(jīng)歷20年的發(fā)展，已經(jīng)逐步演變?yōu)橄鄬σ?guī)范化的成熟技術(shù)，迄今為止，全球絕大部分汽車主機廠的前端框架都采用了基于玻纖增強材料的全塑或金屬嵌件設(shè)計方案。伴隨各主機廠、相關(guān)零件制造商對前端框架服役工況、性能表現(xiàn)等積累了越來越豐富的設(shè)計制造經(jīng)驗，前端框架輕量化進入精益設(shè)計的新階段[1]，即意味著，一款成功的前端框架開發(fā)，在滿足輕量化要求的同時，又要做到零件成本最優(yōu)。這需要在前端框架開發(fā)的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)性能和成本兼顧，體現(xiàn)為選擇性價比最優(yōu)的材料，避免過度設(shè)計。

本文以金發(fā)科技2016年參與的國內(nèi)某主機廠某款車型的前端框架開發(fā)為例，闡述了基于精益設(shè)計思想的輕量化方案優(yōu)化過程。

1. 初始方案

該車型的前端框架零件性能指標(biāo)如表1所示（鑒于保密原因，表中實驗條件列僅進行了定性描述），基于此，零件制造商選用30%短玻纖增強尼龍材料（下文記為SFT-PA），完成了如圖1所示的初始方案。此版方案用料4.8kg，2D有限元模型分析顯示，方案滿足所有設(shè)計指標(biāo)。

表1 前端框架零件性能指標(biāo)

圖1 前端框架初始設(shè)計

2. 優(yōu)化方案

盡管初始設(shè)計方案滿足設(shè)計指標(biāo)，但是基于精益輕量化思想進行方案論證時，認(rèn)為存在空間以實現(xiàn)零件重量和成本的進一步優(yōu)化。本節(jié)下文將首先從選材優(yōu)化入手，然后依次闡述兩版優(yōu)化方案嘗試。

2.1 選材優(yōu)化

概況當(dāng)前市場上的前端框架輕量化方案，其可以分為三大類：長-/短-玻纖增強聚丙烯全塑方案（以下簡稱為LFT-/ SFT-PP），SFT-PA全塑方案和混合方案（金屬嵌件+玻纖增強熱塑性材料結(jié)構(gòu)主體）。另一方面，回歸前端框架的零件功能本質(zhì)，可以發(fā)現(xiàn)前端框架作為半結(jié)構(gòu)件，其主要功能[2,3]包括：為車頭各模塊提供掛載點（剛度），為機蓋鎖安裝點提供足夠的強度支撐等。僅從滿足這些力學(xué)性能指標(biāo)而言，各種玻纖增強材料都可以滿足要求，差異之處在于需要根據(jù)材料不同的基本性能，進行基本結(jié)構(gòu)的微調(diào)而已。

真正限制選材的是前端框架的服役工況溫度。鑒于SFT-PA的熱變形溫度約為200℃，高于LFT-PP的150℃，因而當(dāng)前端框架的服役工況經(jīng)常處于120+℃的場合，比如配置了渦輪增壓的中大型MPV（相較于其他車型，引擎蓋內(nèi)空間較小，熱環(huán)境更苛刻），選擇SFT-PA是合適的。電動車的前端框架對應(yīng)于另一個極端情況，作為熱源的電機發(fā)熱一般在80℃左右，此時選擇LFT-PP是明智的，因為其不僅滿足工況要求，同時具有更具競爭力的價格。將上述思想提煉，金發(fā)科技提出了“按需設(shè)計”理念，并以圖2示意。前端框架設(shè)計伊始不再確定材料類型，而是依據(jù)具體車型的發(fā)動機艙實際空間、前端框架實際使用溫度，技術(shù)指標(biāo)（主要指力學(xué)性能）等設(shè)計約束，為客戶推薦性價比最優(yōu)的材料，從而實現(xiàn)前端框架的“既滿足設(shè)計指標(biāo)，又不過度設(shè)計”的精益方案。

圖2 前端框架按需設(shè)計示意

將上述思想應(yīng)用于本案例，經(jīng)過實際服役工況的考察，并與30%SFT-PA（金發(fā)科技牌號為PA6-G30）基本性能比較，我們選擇性價比更優(yōu)的30%LFT-PP（金發(fā)科技牌號為GFPP-L30）進行方案設(shè)計。兩種材料的基本力學(xué)性能比較如表2所示，需要說明的是，由于尼龍材料特有的吸水性值導(dǎo)致性能降低，在設(shè)計過程采用其平衡態(tài)（濕態(tài)）性能進行力學(xué)性能評價。有限元分析模型顯示，保持初始設(shè)計方案基本不變，選用GFPP-L30材料，用料4.3kg即可滿足所有設(shè)計指標(biāo)，與初始的PA6-G30方案相比，有10%的減重，同時零件成本降低。

表2 玻纖增強材料性能列表

2.2 優(yōu)化方案一

對GFPP-L30方案的有限元模型結(jié)果分析注意到，此版方案的結(jié)構(gòu)強度、散熱器X向剛度、緩沖塊剛度等指標(biāo)存在不同程度的過度設(shè)計，從而為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方向。圖3為得到的優(yōu)化方案示意，除將左右側(cè)梁壁由4mm調(diào)整為3mm之外，還簡化了4個格柵支架安裝點的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化了鎖扣區(qū)域的加強筋設(shè)計以及弱化了上下橫梁的局部結(jié)構(gòu)。此版優(yōu)化方案總體維持基本結(jié)構(gòu)不變，通過局部優(yōu)化的方式，在所有設(shè)計指標(biāo)都滿足的條件下，將總體總量減為4.0kg。

圖3 初始方案優(yōu)化

（1.格柵支架安裝點結(jié)構(gòu)優(yōu)化；2.鎖扣區(qū)域加強筋優(yōu)化；3.上、下橫梁局部結(jié)構(gòu)弱化）

2.3 優(yōu)化方案二

對GFPP-L30設(shè)計方案的分析發(fā)現(xiàn)，前端框架與白車身的連接方式存在較大減重空間。當(dāng)前設(shè)計方案為前端框架與白車身通過X向（車身坐標(biāo)）連接，每一側(cè)有4個安裝點。若將前端框架每一側(cè)安裝點減為2個，改為Y向直接與防撞梁連接，繼而通過防撞梁與白車身“間接”連接，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的改變可以直接獲得0.3-0.5kg的減重。圖4為大眾Golf基于此設(shè)計理念的示意。

圖4 前端框架Y向安裝示例-大眾Golf（引自A2MAC2）

采用拓撲優(yōu)化分析，對Y向安裝設(shè)計理念的輕量化效果完成了進一步論證，如圖5所示。圖中左邊為拓撲優(yōu)化結(jié)果，黑色實線界定的透明輪廓勾勒了前端框架設(shè)計空間，設(shè)計空間中的連續(xù)實體部分，表明這些位置的材料將主要承受結(jié)構(gòu)受力。相應(yīng)的Y向安裝設(shè)計草案如圖5右邊所示。

圖5 基于Y向安裝的拓撲優(yōu)化（左圖）及對應(yīng)設(shè)計草案（右圖）

綜合前端框架注塑成型可行性及成型效率，完成了如圖6所示的Y向安裝優(yōu)化方案，結(jié)構(gòu)滿足所有設(shè)計指標(biāo)，重量減為3.4kg。但必須指出的是，實現(xiàn)這種更為顯著的減重方案是有代價的，其將導(dǎo)致總裝線上前端框架工裝和安裝工序的變化，這種整改投入需要主機廠的評估決策。具體到此項目，主機廠2018年最終定案，選擇了基于LFT-PP的優(yōu)化方案一。