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Altair2011HyperWorks技术大会论文集

基于形貌优化和一步成形法的铝合金发动机罩板轻量化设计

孟瑾陈伟

（上海交通大学数字化车身重点实验室上海200240）

摘要：为了将发动机罩板的综合力学性能纳入设计范畴，采用形貌优化和一步成形相结合的方法，以某

款轿车的钢制发动机罩板为设计对象，基于原始结构空间进行全新设计，选择铝合金材料进行替换，以罩

板的综合性能为约束，采用OptiStruct软件进行形貌优化设计，确定铝合金罩板外形；然后利用HyperForm

中的一步成型法研究新结构的成形性。结果表明铝合金罩板在满足结构性能要求和可制造性的条件下减重

47.1%。为初始设计阶段的铝合金罩板轻量化设计提供了一套可借鉴的方法。

关键词：汽车工程轻量化铝合金有限元法刚度抗凹性

1引言

随着人们的环境保护意识不断提高，对汽车节能减排提出越来越高得要求。据统计，汽车每减重10%，

油耗可以降低6%~8%[1]，轻量化作为节能减排的有效途径，受到越来越多的重视[2][3]。汽车的轻量化设计

可以通过两种方式实现：设计更加合理的结构或者铝合金、镁合金、复合材料采用新型材料替换原有传统

钢材以提高性能，减轻重量。轿车的轻量化设计就是要在保证结构性能和制造成本的前提下最大程度的减

轻重量[4][5]。

发动机罩板位于轿车车身前部，属于典型覆盖件，现有的罩板设计往往是在原始结构基础上针对存在

的问题进行修补，不能起到真正的设计指导作用[6]。如何在设计初期将罩板使用中将其综合性能纳入分析

范畴仍存在困难。

为了解决上述存在的问题，本文采用结构优化结合性能评价的方法，以某款轿车的发动机罩板为研究

对象，基于原始结构空间布局，对罩板核心位置进行区域整理，采用形貌优化结合新型铝合金材料替换的

方法，在保证性能的基础上实现减重；采用一步成形法对新结构的铝合金罩板进行可制造性分析，为初始

设计阶段的铝合金罩板轻量化设计提供一套可借鉴的方法。

2发动机罩板优化方案

优化设计的三要素是：设计对象、设计约束和设计目标。因此，要确定罩板优化方案首先就要确定设

计的三要素。其中，设计约束和目标往往根据公司对产品的性能要求或设计经验决定。由于设计方案需要

满足原罩板的边界条件，即和发动机仓其他零件间相互空间位置关系不能发生变化，因此只能在原始结构

的空间范围内进行优化设计。

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2.1发动机罩板设计目标和要求

轿车发动机罩板的刚度和抗凹性设计要求如下，要求相比原始结构性能不降低：

（1）弯曲刚度：约束铰链和支持杆位置，在罩板左前角点垂直外板加载，限制永久变形值小于1mm；

（2）扭转刚度：约束铰链、支撑杆和罩板前部中点，在罩板前部左右前角点垂直外板面施加力偶，限

制永久变形小于0.4mm；

（3）剪切刚度：约束铰链和支撑杆，在罩板前部中间点加载，限制永久变形小于1mm；

（4）抗凹性：发动机罩板应处于关闭状态时，约束铰链和支撑杆，选择罩板最薄弱的位置，在外板表

面通过探头垂直施加载荷，限制承载区域永久变形小于0.15mm。

2.2铝合金材料的选择

相对传统钢材而言，铝合金优势非常明显：具有更高的比强度（强度/密度）；吸收冲击的能力是钢的两

倍；回收利用率高[7]因此在轿车轻量化设计中应用越来越广泛。为了保证发动机罩板的制造工艺和使用性能，

要求材料兼具强度和延性，这里选择6111-T4PD型铝合金。该材料基本力学性能如表1所示，有效应力应

变曲线图1所示。它具有较低的屈强比，较高的均匀延伸率和断裂延伸率，因此成形性较好；其屈服强度

接近150MPa，达到普通碳钢的强度水平。

表1铝合金6111-T4PD基本力学性能

材料名称

弹性模量

（MPa）

泊松比

密度

(Kg/m3)

屈服强度

(MPa)

抗拉强度

(MPa)

均匀延伸率断裂延伸率加工硬化系数

6111-T4PD690000.32890149.5229018%25%0.23

图1铝合金6111-T4PD的有效应力应变曲线

2.3铝合金罩板优化方案

根据发动机罩板内外板功能的区别，优化设计将以内板为目标，确定内板的合理结构，最后进行罩板

总成的性能评估。将钢替换成铝合金时，由于材料性能差异，板厚需要有一定变化，一般来说，材料替换

时板厚关系采用如下规律进行估计[8]：

′α×

t=t

σ

y

σ′

y

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其中，t、t′为替换前后的材料厚度；σ′为替换前后的材料屈服强度；α为根据材料失效信息

σ、

yy

和加载条件确定的常数。根据替换前后材料性能差异，和试验加载条件进行估算