（江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330200）

0.引言

汽車引擎蓋是車輛重要的覆蓋件，位于車輛的前端，能夠保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)等重要系統(tǒng)，有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲和熱量，為駕乘人員提供舒適的環(huán)境，同時(shí)降低空氣阻力，提升車輛的穩(wěn)定性。當(dāng)引擎蓋的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率相近時(shí)，會(huì)導(dǎo)致引擎蓋產(chǎn)生共振，直接影響車輛的舒適性。當(dāng)引擎蓋的剛度性能偏弱時(shí)，將產(chǎn)生一定的永久變形，會(huì)降低車輛的美觀性同時(shí)影響正常的使用，因此引擎蓋的各項(xiàng)性能直接決定了車輛的舒適性和穩(wěn)定性。某新型乘用車設(shè)計(jì)了一款引擎蓋，能確保其模態(tài)性能和抗凹性能符合設(shè)計(jì)要求，采用有限元方法對(duì)引擎蓋進(jìn)行模態(tài)性能分析，然后進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，再對(duì)進(jìn)行抗凹性能進(jìn)行校核。

1.模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

基于模態(tài)分析可以獲取結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，其主要包括結(jié)構(gòu)的固有頻率及其陣型。模態(tài)性能是結(jié)構(gòu)的固有特性，與外部激勵(lì)載荷無(wú)關(guān)?；趧?dòng)載荷的虛功原理可以得到結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程為[1-2]：

式（1）中，M 是結(jié)構(gòu)的廣義質(zhì)量矩陣；C是結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣；K是結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；˙是結(jié)構(gòu)的加速度矩陣；是結(jié)構(gòu)的速度矩陣；x是結(jié)構(gòu)的位移向量；P(t) 是結(jié)構(gòu)的激振力向量。

通過(guò)結(jié)構(gòu)的求解無(wú)阻尼運(yùn)動(dòng)方程，可以得到結(jié)構(gòu)的頻率及陣型。

2.建立引擎蓋有限元模型

某新型乘用車引擎蓋主要由外板、內(nèi)板、加強(qiáng)板和鉸鏈構(gòu)成，外板的厚度為0.8mm，內(nèi)板的厚度為0.6mm，加強(qiáng)板的厚度為0.6mm，其材料均為DC01，采用Catia軟件建立該引擎蓋三維模型，然后將其加載至Hypermesh軟件[3-4]中。引擎蓋各個(gè)零部件均為沖壓鈑金結(jié)構(gòu)，首先抽取其中間面，對(duì)其各個(gè)中間面進(jìn)行幾何處理，然后采用8mm的四邊形和三角形單元對(duì)其進(jìn)行離散化處理，其中的焊縫連接采用Hexa(adhesive)單元模擬，并建立材料屬性并賦予其相應(yīng)的厚度值，以此建立引擎蓋有限元模型，如圖1所示，其中單元總數(shù)為62536，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為62320。

圖1 引擎蓋有限元模型

3.模態(tài)性能分析

為了獲取引擎蓋的模態(tài)性能，基于引擎蓋的有限元模型，并采用Nastran軟件[5]釋放其所有自由度，設(shè)置其計(jì)算頻率范圍為1Hz～60Hz，設(shè)置對(duì)其進(jìn)行模態(tài)性能分析，以此獲取該引擎蓋的固有頻率分別為32.4Hz、43.1Hz和56.8Hz。

如圖2所示，為引擎蓋第一階模態(tài)陣型云圖。由圖2可知，其模態(tài)陣型特征為扭轉(zhuǎn)，其振動(dòng)變形最大為18.59mm。

圖2 引擎蓋第一階模態(tài)陣型云圖

如圖3所示，為引擎蓋第二階模態(tài)陣型云圖。由圖3可知，其模態(tài)陣型特征為中間凸起，其振動(dòng)變形最大為26.25mm。

圖3 引擎蓋第二階模態(tài)陣型云圖

如圖4所示，為引擎蓋第三階模態(tài)陣型云圖。由圖4可知，其模態(tài)陣型特征為兩側(cè)凸起，其振動(dòng)變形最大為23.06mm。

圖4 引擎蓋第三階模態(tài)陣型云圖

該乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速為850r/min，其發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率為28.3Hz，因此該引擎蓋的固有頻率不會(huì)與其發(fā)生耦合，能夠有效避免引擎蓋產(chǎn)生共振，符合模態(tài)性能設(shè)計(jì)要求。

4.模態(tài)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證引擎蓋有限元建模及模態(tài)性能分析的精確度，基于多點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)方法對(duì)引擎蓋進(jìn)行自由模態(tài)試驗(yàn)，采用最小二乘指數(shù)法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到引擎蓋的前兩階模態(tài)試驗(yàn)陣型如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，引擎蓋的第一階模態(tài)試驗(yàn)振動(dòng)表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)，其第二階模態(tài)試驗(yàn)陣型表現(xiàn)為中間凸起，因此引擎蓋的試驗(yàn)陣型與模態(tài)仿真陣型相同。

圖5 引擎蓋第一階模態(tài)試驗(yàn)陣型

圖6 引擎蓋第二階模態(tài)試驗(yàn)陣型

如表1所示為引擎蓋的模態(tài)測(cè)試值與仿真值對(duì)比。由表1知，該乘用車引擎蓋的前兩階模態(tài)測(cè)試值分別為31.5Hz和40.2Hz，由此可知模態(tài)性能分析的精確度分別達(dá)到了97.1%和92.8%，證明了有限元建模及模態(tài)性能分析的可靠性。

表1 模態(tài)頻率測(cè)試值與仿真值對(duì)比

5.抗凹性能分析

引擎蓋抗凹性能是指其在額定的外界載荷作用下抵抗凹陷變形的能力。為了獲取引擎蓋的薄弱區(qū)域，基于引擎蓋的有限元模型，采用Abaqus軟件[6]約束鉸鏈安裝孔的所有自帶有，約束鎖扣的平動(dòng)自由度，同時(shí)約束左右緩沖塊的垂向自由度，在其外板表明施加法向的均布?jí)簭?qiáng)0.001MPa，以此得到其位移云圖，如圖7所示。由圖7可知，其最大變形為6.65mm，其薄弱區(qū)域?yàn)橐嫔w的中間靠后及其兩側(cè)。

圖7 均布?jí)簭?qiáng)位移云圖

基于均布?jí)簭?qiáng)分析結(jié)果，在引擎蓋外板表面選取三個(gè)薄弱點(diǎn)作為參考點(diǎn)，并細(xì)化參考點(diǎn)附近的網(wǎng)格單元，作直徑為75mm的剛性圓盤，在抗凹參考點(diǎn)施加法向100N的力，設(shè)置同樣的約束條件，以此得到P1、P2和P3點(diǎn)的位移云圖。由圖8可知，P1點(diǎn)的最大變形為2.347mm。由圖9可知，P2點(diǎn)的最大變形為3.722mm。由圖10可知，P3點(diǎn)的最大變形為3.838mm。

圖8 P1點(diǎn)位移云圖

圖9 P2點(diǎn)位移云圖

圖10 P3點(diǎn)位移云圖

綜上所述，該乘用車引擎蓋薄弱區(qū)域的最大變形在實(shí)際工程要求值（5mm）范圍之內(nèi)，能夠抵抗一定的變形能力，滿足抗凹性能設(shè)計(jì)，符合滿足客戶使用要求。

6.結(jié)論

基于有限元方法并采用Hypermesh軟件建立引擎蓋網(wǎng)格模型，采用Nastran軟件對(duì)其進(jìn)行模態(tài)性能仿真分析，獲取其前三階模態(tài)頻率分別為32.4Hz、43.1Hz和56.8Hz，不會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率耦合，不會(huì)產(chǎn)生共振，滿足動(dòng)態(tài)性能要求。對(duì)引擎蓋進(jìn)行自由模態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元仿真分析方法具有較高的準(zhǔn)確度。采用Abaqus軟件對(duì)引擎蓋進(jìn)行抗凹性能仿真分析，其最大變形為3.838mm，其他區(qū)域的變形值也都小于目標(biāo)值，滿足設(shè)計(jì)要求。