CAE分析在汽車引擎蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

CAE分析在汽車引擎蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 摘要：本文以某皮卡車發(fā)生引擎蓋開裂問題為例，探討CAE分析在汽車引擎蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。首先，對(duì)某皮卡車發(fā)生引擎蓋開裂的問題進(jìn)行描述，然后從建立模型、模態(tài)分析、強(qiáng)度分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面出發(fā)，探討CAE分析在實(shí)際問題中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：CAE分析;引擎蓋開裂;模態(tài)分析;強(qiáng)度分析中圖分類號(hào)：U463文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168202101-0117-03Abstract：ThispaperdiscussedtheapplicationofCAEanalysisintheoptimizationdesignofautomobilehood，takingthehoodcrackingofapickuptruckasanexample.Firstly，theproblemofhoodcrackingofapickuptruckwasdescribed，andthentheapplicationofCAEanalysisinpracticalproblemswasdiscussedfromtheaspectsofmodelestablishment，modalanalysis，strengthanalysisandoptimizationdesign.Keywords：computeraidedengineering;hoodcracking;modalanalysis;strengthanalysis在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，汽車已經(jīng)成為人們生活中必不可少的交通工具。結(jié)構(gòu)耐久、碰撞平安、動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、NVHNoise、Vibration、Harshness等整車性能開發(fā)已逐步成為汽車產(chǎn)品品質(zhì)的重要保證。而結(jié)構(gòu)耐久性是整車性能中一項(xiàng)很重要的指標(biāo)，嚴(yán)重影響整車品質(zhì)。對(duì)于開裂及其他耐久性問題，一般可以采用增加加強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)的簡(jiǎn)單應(yīng)對(duì)措施，雖然可起到加強(qiáng)效果，但不符合整車輕量化開展趨勢(shì)。CAEComputerAidedEngineering是指計(jì)算機(jī)輔助工程，汽車CAE主要是指工程設(shè)計(jì)中的分析計(jì)算和分析仿真，其核心是基于現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)的有限單元分析技術(shù)【1】。本文以某皮卡車發(fā)生引擎蓋開裂問題為例，探討CAE分析在汽車引擎蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。1問題描述現(xiàn)以某皮卡車行駛28000km發(fā)生引擎蓋開裂問題為例，探討CAE分析在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用。該車引擎蓋開裂示意圖如圖1所示。對(duì)于引擎蓋斷裂問題，常見原因?yàn)楣舱窈蛷?qiáng)度缺乏。從振動(dòng)方面考慮，可能是由于與某一頻率鼓勵(lì)發(fā)生共振，一般參考汽車怠速頻率25Hz;從結(jié)構(gòu)上分析，發(fā)現(xiàn)開裂位置處于凹槽處，該處應(yīng)力集中，且位于引擎蓋后側(cè)，剛度較小，應(yīng)力也相應(yīng)較大。因此，針對(duì)該問題，同時(shí)從模態(tài)分析和強(qiáng)度分析兩個(gè)方面入手，并參考競(jìng)品車型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2CAE分析在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用引擎蓋質(zhì)量不帶鉸鏈及隔熱墊為14.84kg。對(duì)引擎蓋建立有限元模型，在進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，鉸鏈和鎖扣采用3D實(shí)體建模;焊點(diǎn)用RIGID單元模擬，膠體用3D實(shí)體單元模擬，建立的有限元模型見圖2，各零部件材料參數(shù)見表1。模態(tài)分析是求解結(jié)構(gòu)的各階固有頻率及其對(duì)應(yīng)的振型。固有頻率表征其結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，是系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的特征值。固有頻率是結(jié)構(gòu)本身的固有特性，與外界載荷無關(guān)，所以自由模態(tài)計(jì)算沒有任何邊界條件。自由模態(tài)計(jì)算結(jié)果如表2所示。為了進(jìn)一步解析問題，對(duì)故障車引擎蓋進(jìn)行應(yīng)變能密度分析，應(yīng)變能密度結(jié)果見圖3。從圖3可知，第一階和第二階模態(tài)中引擎蓋左右兩側(cè)折彎線與中部靠近前擋風(fēng)玻璃棱邊凹槽應(yīng)變能密度較大，由此可判斷引擎蓋后端中部開裂問題應(yīng)與第一階和第二階振動(dòng)有關(guān)。在發(fā)罩關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，約束前端罩鎖X向和Y向自由度，約束后端引擎蓋鉸鏈與車身連接處X向、Y向和Z向3個(gè)方向自由度，整體加載沖擊加速度及約束工況見圖4。應(yīng)力分析結(jié)果見表3，故障車型在垂直沖擊/急轉(zhuǎn)彎/制動(dòng)三種工況下，應(yīng)力結(jié)果均遠(yuǎn)大于競(jìng)品車型，故后續(xù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮降低應(yīng)力。中間凹槽處由于沖壓造成減薄，本分析中不做考慮;兩端鉸鏈加強(qiáng)板焊接位置由于焊點(diǎn)造成應(yīng)力集中，且分析可能是在中部開裂后造成的彎曲開裂，本分析中也暫不考慮【2】。方案分析。針對(duì)上述問題，研究者制定了6種優(yōu)化方案。接下來，從模態(tài)分析和強(qiáng)度分析兩個(gè)方面同時(shí)入手，并參考競(jìng)品車型數(shù)據(jù)，對(duì)6種優(yōu)化方案進(jìn)行分析，從而判斷最優(yōu)方案。方案1：引擎蓋后端增加加強(qiáng)筋a，該方案增加截面剛度27%，見圖5。方案2：引擎蓋后端增加加強(qiáng)筋b，該方案增加截面剛度4%，見圖6。方案3：引擎蓋后端增加加強(qiáng)筋c，該方案為分段加強(qiáng)，見圖7。方案4：增加內(nèi)板厚度，由0.6mm增加至0.7mm。方案5：取消凹槽，見圖8。方案6：取消凹槽并增大后端截面寬度。該方案是方案5的補(bǔ)充方案。增大引擎蓋后端截面寬度不僅能減小應(yīng)力，還可增大模態(tài)頻率方案結(jié)果。各方案應(yīng)力與模態(tài)分析結(jié)果見表4。通過上述結(jié)果可以看出，以上6種方案僅有第5、6兩種方案可行。方案5不僅優(yōu)化了應(yīng)力分布，而且在一定程度提高了模態(tài)頻率，減小了共振概率。因此，綜合判斷，建議取消凹槽。第6種方案是第5種方案的補(bǔ)充，其在應(yīng)力改善上非常明顯，主要優(yōu)勢(shì)是整體剛度提高較為明顯，可承受更大的鼓勵(lì)頻率范圍。但是，方案5和方案6均需要修改引擎蓋內(nèi)板模具，模具費(fèi)投資較高。前4種方案雖不能使結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，但方案1和方案4對(duì)原結(jié)構(gòu)優(yōu)化比例相對(duì)較大30%，且不需要修改引擎蓋內(nèi)板模具，因此，也將方案1和方案4作為備用選擇，或者進(jìn)行組合選擇。對(duì)方案1和方案4進(jìn)行靈敏度分析，表5為增加加強(qiáng)板靈敏度分析結(jié)果;表6為內(nèi)板優(yōu)化靈敏度分析結(jié)果。從上述結(jié)果可知，內(nèi)板厚度雖然對(duì)厚度的靈敏度較大，但加強(qiáng)板a對(duì)質(zhì)量的靈敏度更大，因此可增加一定厚度的加強(qiáng)板a?？紤]到焊接質(zhì)量問題，可采用1.2mm厚的加強(qiáng)板，該方案可做備用選擇【3】。3結(jié)論后端中部凹槽處開裂，主要是應(yīng)力集中造成的，應(yīng)力值為62.5MPa，雖遠(yuǎn)低于材料屈服極限，但明顯大于競(jìng)品車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，考慮到實(shí)際工況可能更加惡劣，必須進(jìn)行優(yōu)化。通過分析可知：第一，消除凹槽方案5可以確保消除開裂問題，但修模費(fèi)用高;第二，增大引擎蓋后端截面寬度方案6可以在降低應(yīng)力值的同時(shí)提高整體剛度，承受更大的鼓勵(lì)頻率范圍，但修模費(fèi)用更高;第三，在后端增加加強(qiáng)板a方案1也可在一定程度改善開裂問題，并且不需要修改模具，可做備用選擇;第四，增加內(nèi)板料厚方案4，可在一定程度改善開裂問題，且不需要修改模具，但本錢增加，也可做備用選擇?？紤]到本錢、投資及改善效果，最終采用方案1，既能有效改善開裂問題，又不需修改模具，且本錢較低。參考文獻(xiàn)：【1】王彥偉，鄭英.有限元法在車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，20215：42-44.【2】張然治.疲勞試驗(yàn)測(cè)試分析理論與實(shí)踐M.北京國(guó)防工業(yè)出版社，2021：148-154.【3】張洪武.有限元分析與CAE技術(shù)根底M.北京：清華大學(xué)出版社，2021：124-156.