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摘要：随着汽车需求者的要求提升，全球汽车设计者都开始了汽车设计新的征程，汽车技术研究人员也开始向模块化、集成化、轻量化方向发展。近二十年来，有许多研究工作者已经开始关注汽车前端模的设计，汽车前端模的发展是实现整车轻量化、低耗油、低排放的关键部位。本文简单介绍塑料前端模块的设计思路和构成单元，以某车型塑料前端框架为例浅析主要工作要点。
关键词：塑料；前端框架；CAE 分析；模块化；轻量化
1 汽车塑料前端模块概述
汽车前端模块位于汽车的最前端，其外形设计、功能结构和重量等，都对能耗有显著的影响。其中，实现前端模块的轻量化、对进入发动机舱的气流进行动态调节进而降低气阻，都有利于减少燃油消耗和碳排放量。而汽车前端模采用塑料材料就能够帮助整车更好的实现量轻化设计。
塑料模不同于传统的聚丙烯/钢混合板材料，其重量远小于钢板材料，同时，操作也可以更加简化，实现节省安装时间和成本的作用。通过对汽车塑料前端模的大力推广，能够降低成本效率，满足供应链的灵活性要求。
汽车前端塑料模也有部分零件塑料化和全塑化的分别，将汽车前端的零件塑料化，可以使汽车的车身更加苗条，安装空间更为紧凑，车身比例也更加和谐美观，较轻的车体，更长的轴距和更大的车轮，才更符合当下汽车发展的需求。
2 前端模块构成分类
汽车的前端是由多个零部件构成，主要包括了散热器组件、车灯、引擎盖锁、保险杠、横梁、小腿保护支架、格栅、喇叭和吸能泡沫，根据生产规划的要求，总体上我们可以将这些零部件分为三大类，①集成散热器总成、机盖锁（低度集成）；②集成散热器总成、机盖锁、大灯、防撞梁（中度集成）；③集成散热器总成、机盖锁、大灯、防撞梁、前保险杠（高度集成）。
3 安装点布置方式
在设置安装点时，我们必须满足前端支架整体刚度，应用Hyper mesh软件对全塑前端模块支架进行承重模拟分析，考察其变形程度和应力的分布，得出最优方案应为在汽车前端框架的上、中、下均存在安装固定点。Hyper mesh软件具有强大的CAE 应用软件包，具有强大的有限元网格前处理功能和后处理功能，集成了设计所需要的各种工具，具有高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。能够保证我们分析得出的结果的可行性，能满足整车技术要求。如果整车布置无法满足安装点最优方案，安装点布置应尽量分散并靠近边界。如图1 所示。
图 1 最 优安 装点 布 置方 式
4 前端框架设计思路及工作要点
塑料前端框架在设计之初，应首先根据整车布置方案确定前端模块集成零部件，以适应生产工艺规划，并编制产品设计构想。设计构想内容应包含：模块产品构成、模拟装配顺序、安装点布置构想、标杆数据信息、材料选择确定、CAE 分析项目及标准要求、周边件间隙定义等要求。以某车型设计过程为例：前端框架设计主要工作重点在于如何保证前端框架模态、刚度及强度等技术特性能够满足整车状态的技术要求。同时工作的难点也在于前端框架的技术特性要求的确定。可通过对标应用塑料前端框架的车型技术特性要求，结合整车技术要求，进行分解最终确定塑料前端框架技术特性要求。
4.1 集成零部件要点分析
汽车前端模块的零部件分布本身是比较多的，汽车模块前端的零部件有低集成零件、中集成零件、高集成零件之分，在进行设计选择时，应当结合整车布置方案和生产工艺规划，选择适合该车型要求的零部件，以实现整车的技术要求。如图2所示，为某车的前端零部件结构。
图2 前端模块零部件
4.2 格栅设计要点分析
格栅的选择时，我们需要注意的是，应当采用密封较好的导气结构来隔离热空气，这回有助于提高冷却空调系统的效率。而导气结构的设计，主要取决于汽车前端的空间结构、发动机室的气压水平和前保险杠冷空气入气口的大小，选择时主要考虑如下三个要素：有效减少或甚至杜绝热空气回流到冷空气的入气面；避免自身振动或与其他部件发生碰撞而发出噪声；轻质低成本。
4.3 材料选择要点分析
前端框架一般材料为PP-LGF30 或PP-LGF40，但是无论选用哪种材料，结构都要依据载荷边界条件，在满足各项性能指标的前提下，实现重量最小化。为此，模拟软件能够协助设计工程师实现轻量化，比如：拓扑结构优化、厚度优化等。这两种是借助拓扑结构优化方法，在满足刚度条件下，依据特定的边界条件，通过重量最小化，达到结构优化的目的。在注塑件或浇铸件上优化加强肋和壁厚时，首先要合理确定可用的最大空间、脱模方向和分型面，才能获得满意的加强肋分布和壁厚。在刚度结构优化时，可以纯粹以重量最小为目标，也可以附加材料成本最低化目标，优化结果也会有所不同。
4.4 CAE 分析
根据PP-LGF30 材料特性进行CAE 分析，分析项目应包括锁扣极限拉力，机盖缓冲块安装点刚度，冷凝器安装点刚度，前端框架扭曲强度，前端模块总成安装刚度，整车动刚度等。以上CAE 分析结果合格后，相关方确认前端模块数据可冻结进行产品开发。
5 结论
通过规范的布置方案，科学的强度要求，合理的加强结构以及精准的CAE 分析，汽车前端既要同时满足诸多性能要求，如造型设计、刚度、强度、振动特性、乘员安全、事故维修成本、行人保护和空气动力学性能等，又要能够实现汽车塑料前端模块的最优化设计，实现汽车量轻化的要求。
通过利用全塑前端模块设计，可以简化生产工艺，降低前端重量，同时还能节约成本；设计空间大，可以通过结构优化获得较大的刚性，完全能够满足各种复杂载荷的需要；能方便实现模块化装配，减少总装工艺，缩短总装时间，减少装配人员和使用场地，能为汽车制造企业带来更大的利润空间和经济效益。
参考文献：
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[2]长纤维增强热塑性复合材料在汽车前端模块中的应用[J].李正其,龙仕彰,张鹏.汽车工程师.2012(02)
[3]浅析新车型前端模块工艺开发[J].肖康宝,卢俊康,许宝强,黄逸稳.机电工程技术.2016(09)
论文作者:于浩
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第13期
论文发表时间:2017/12/18
标签：模块论文; 汽车论文; 刚度论文; 整车论文; 框架论文; 零部件论文; 塑料论文; 《建筑科技》2017年第13期论文;