汽车前端框架作为汽车前端模块的重要组成部分,不仅是车身外观的主要部件,也是汽车安全性能的重要保证。传统汽车前端框架通过专用骨架将100多个分散的零部件整合在一起,不利于整车结构的优化和操控。随着汽车轻量化要求的提高,汽车前端框架作为前端模块各部件的安装和支撑平台,其结构和力学性能指标非常重要,也是汽车前端模块结构优化和轻量化设计的关键对象。本文依托校企联合项目,针对某款汽车前端框架开展轻量化研究。主要开展了以下几个方面的工作:首先,对某企业提供的参考汽车前端框架进行了CATIA建模,将模型数据导入Hypermesh中建立有限元模型,然后对参考汽车前端框架进行了性能分析,计算结果包括6个静载点的强度、刚度和自由模态,充分证明了参考汽车前端框架的优化设计仍有一定的空间。其次,为了得到满足实际工程应用的结构,采用带权重的折衷规划法对优化设计空间进行多目标拓扑优化设计。基于拓扑优化结果、实际制造工艺、参考模型等数据,建立新的汽车前端框架参数化模型,并对汽车前端框架的性能进行了仿真分析。结果表明经过拓扑优化后的汽车前端框架质量较参考汽车前端框架减重11%,可为后续的汽车前端框架尺寸厚度优化提供优化模型,进一步进行优化设计。再而,在拓扑优化后可以进行尺寸厚度优化,基于DOE响应的贡献度来确定设计变量。以优化后的总质量最小为优化目标,一阶模态的大小和各载荷点处的刚度大小作为约束,利用哈默斯利试验设计方法进行了42组设计仿真,根据仿真设计结果,得到响应面拟合结果。基于响应面拟合结果,采用全局响应面算法对拟合出来的近似模型进行优化。优化后的汽车前端框架质量较拓扑优化后的汽车前端框架减重2%,较原始参考汽车前端框架减重约为13%。最后,对轻量化后的汽车前端框架进行了力学试验验证和一阶固有频率试验验证。力学试验结果表明新的汽车前端框架满足强度性能要求,并且结束后在工装台可观察到,无明显的变形、开裂、松旷、异响或者破坏等异常。优化后的汽车前端框架一阶固有频率测试的结果表明模态值大于企业标准,符合设计要求。