撰文/鄭州日產(chǎn)汽車有限公司技術(shù)中心 湯　堯 蘭天亮 王少偉

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CAE分析在汽車引擎蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

撰文/鄭州日產(chǎn)汽車有限公司技術(shù)中心 湯堯 蘭天亮 王少偉

本文詳細(xì)地介紹了汽車引擎蓋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段所需要的相關(guān)CAE分析，對(duì)汽車引擎蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案給出了量化的評(píng)價(jià)依據(jù)。通過(guò)CAE分析，不但可以有效地縮短其產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證的相關(guān)費(fèi)用，還可以為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和性能優(yōu)化提供方向指導(dǎo)。

一、引言

汽車引擎蓋是汽車前端模塊中較為重要的組成部分，其作用不僅僅是保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，還有著被動(dòng)保護(hù)行人安全的作用。隨著CAE和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多復(fù)雜的非線性問(wèn)題都可以通過(guò)CAE軟件來(lái)模擬分析，使設(shè)計(jì)者可以客觀地評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果，為已設(shè)計(jì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化指出改善方向。

本文以CAE在某車型引擎蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體分析為例，簡(jiǎn)述CAE在汽車引擎蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

二、CAE分析在汽車引擎蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

本文利用Hyperworks軟件對(duì)引擎蓋總成采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可得157000個(gè)單元。在安裝螺栓孔位置和焊點(diǎn)處作RBE2 SPIDER連接，內(nèi)外板粘膠處作一層solidmap實(shí)體單元。引擎蓋的有限元分析模型如圖1所示。

1.引擎蓋安裝變形分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在引擎蓋前端緩沖塊安裝孔處限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Y、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

圖1　引擎蓋的有限元分析模型

加載：在引擎蓋鎖插銷處施加222N的力，并對(duì)引擎蓋總成施加重力載荷。約束和加載模型如圖2所示。

圖2　引擎蓋安裝變形分析約束和加載模型

（2）分析結(jié)果。

通過(guò)計(jì)算可知引擎蓋總成的安裝最大變形量為0.74mm，滿足設(shè)計(jì)要求（最大變形量＜3mm）。分析云圖如圖3所示。

圖3　引擎蓋安裝變形分析云圖

2.引擎蓋邊緣變形分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在引擎蓋前端緩沖塊安裝孔處限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Y、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

加載：分別在side beam和rear beam上施加222N的力，并施加重力載荷。約束和加載模型如圖4所示。

圖4　引擎蓋邊緣變形分析約束和載荷模型

（2）分析結(jié)果。

通過(guò)計(jì)算可知，在第一種工況下引擎蓋邊緣的最大位移量為1.21mm，在第二種工況下引擎蓋邊緣的最大位移量為0.25mm，滿足設(shè)計(jì)要求（最大位移量＜10mm）。分析云圖如圖5所示。

圖5　引擎蓋邊緣變形分析云圖

3.引擎蓋下拉變形分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在引擎蓋中部緩沖塊安裝孔處限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Y、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

加載：在引擎蓋鎖插銷處施加222N的力，并對(duì)引擎蓋總成施加重力載荷。約束和加載模型如圖6所示。

（2）分析結(jié)果。

通過(guò)計(jì)算可知，最大應(yīng)力約為152MPa，不會(huì)產(chǎn)生永久變形，滿足設(shè)計(jì)要求。分析云圖如圖7所示。

圖7　引擎蓋下拉變形分析云圖

4.引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在引擎蓋右前緩沖塊安裝孔處限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Y、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

加載：在引擎蓋左前緩沖塊安裝孔處的Z向施加180N的力，并對(duì)引擎蓋總成施加重力載荷。約束和加載模型如圖8所示。

圖8　引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度分析約束和載荷模型

（2）分析結(jié)果。

通過(guò)計(jì)算可知，Z向的最大位移約為10.63mm，引擎蓋x向力臂長(zhǎng)490mm，故計(jì)算出扭轉(zhuǎn)角θ=arctg（dz/x）=1.24°，而加載點(diǎn)的扭矩為180N×0.49m=88.2Nm，故扭轉(zhuǎn)剛度為88.2/1.24=71Nm/deg。分析云圖如圖9所示。

圖9　引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度分析云圖

5.引擎蓋沖擊分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在引擎蓋前端緩沖塊安裝孔處限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Y、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

加載：對(duì)引擎蓋總成施加4倍的重力加速度。約束和加載模型如圖10所示。

圖10　引擎蓋沖擊分析約束和載荷模型

（2）分析結(jié)果。

通過(guò)計(jì)算可知，在4倍的重力加速度作用下，引擎蓋總成的最大位移為5.804mm，滿足設(shè)計(jì)要求（最大位移量＜10mm）。分析云圖如圖11所示。

圖11　引擎蓋沖擊分析云圖

6.引擎蓋手掌壓痕分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在引擎蓋鎖扣處限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

加載：對(duì)引擎蓋總成的中間100×100mm的區(qū)域上施加450N的力。約束和加載模型如圖12所示。

圖12　引擎蓋手掌壓痕分析約束和載荷模型

（2）分析結(jié)果。

通過(guò)計(jì)算可知，手掌附近區(qū)域最大MISES應(yīng)力為94.5MPa，滿足設(shè)計(jì)要求（最大MISES應(yīng)力＜180MPa）。分析云圖如圖13所示。

7.引擎蓋凹陷剛度分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在引擎蓋鎖扣處限制X、Y、Z向移動(dòng)自由度和X、Y、Z向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

加載：對(duì)引擎蓋總成的后端75×75mm的區(qū)域上施加90N的力。約束和加載模型如圖14所示。

圖13　引擎蓋手掌壓痕分析云圖

圖14　引擎蓋凹陷剛度分析約束和載荷模型

（2）分析結(jié)果。

通過(guò)計(jì)算可知，引擎蓋最大位移量為0.0824mm，滿足設(shè)計(jì)要求（最大位移量＜6.35mm）。分析云圖如圖15所示。

圖15　引擎蓋凹陷剛度分析云圖

8.結(jié)論

根據(jù)以上分析可知，CAE對(duì)引擎蓋所作的相關(guān)分析，均滿足設(shè)計(jì)要求。

四、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)引擎蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要作的CAE分析項(xiàng)目作了詳細(xì)說(shuō)明，為引擎蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證提供了一種很好的方法。通過(guò)所述項(xiàng)目的CAE分析，可以避免其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段方案驗(yàn)證不足造成后期試裝、評(píng)價(jià)時(shí)問(wèn)題再現(xiàn)所產(chǎn)生的應(yīng)對(duì)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高等問(wèn)題，為其結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化提供量化的依據(jù)。