基于仿真的汽車引擎蓋強(qiáng)度耐久系統(tǒng)分析

周星棟，王振

（上汽大眾汽車有限公司產(chǎn)品研發(fā)車身研發(fā)部，上海 201805）

通過有限元方法分析某一款車型引擎蓋關(guān)閉系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)過程，模擬預(yù)測(cè)引擎蓋在整個(gè)落鎖過程中的應(yīng)力分布，利用疲勞算法計(jì)算疲勞損傷值，提出方案解決局部開裂問題，通過試驗(yàn)驗(yàn)證模型及方案的準(zhǔn)確有效，建立一種評(píng)價(jià)引擎蓋疲勞的新方法。

引擎蓋；有限元仿真；疲勞計(jì)算；應(yīng)力分析

0 引言

引擎蓋是汽車車身結(jié)構(gòu)中最為重要的零件之一，也是新車型設(shè)計(jì)開發(fā)修改最為頻繁的零件之一。引擎蓋的設(shè)計(jì)不僅需要考慮到造型的美觀，更要兼顧結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、低振動(dòng)噪聲以及行人保護(hù)的法規(guī)要求，除此之外還要滿足工藝可行、輕量化的目標(biāo)。因此，由于某些輕量化、行人保護(hù)能量吸收等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，在引擎蓋的疲勞試驗(yàn)中，往往會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，并且最終導(dǎo)致鈑金開裂或者無(wú)法鎖止的情況發(fā)生。

為了解決此類問題，減小因模具修改帶來(lái)的制造成本和試驗(yàn)成本，在設(shè)計(jì)之初或者在尋找問題解決方案過程中就需要引入檢驗(yàn)鈑金應(yīng)力集中的方法和模式。而通過有效的有限元模型分析模擬引擎蓋開啟關(guān)閉的動(dòng)力學(xué)仿真模型，可以有效地預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)或者優(yōu)化開裂解決方案。

本文通過建立引擎蓋系統(tǒng)的一整套有限元模型，包括鈑金系統(tǒng)、附件緩沖系統(tǒng)、鎖系統(tǒng)，利用有限元求解器求解某車型引擎蓋關(guān)閉落鎖過程的瞬態(tài)響應(yīng)，利用應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行疲勞分析，提出改進(jìn)方案，最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證模型和方案的有效，形成了一整套的應(yīng)力強(qiáng)度和疲勞分析分析解決方法。

1 有限元模型以及分析類型

1.1 引擎蓋模型

以某一款車型的引擎蓋作為模型輸入。引擎蓋的鈑金通過殼單元建立，鈑金之間的膠水連接方式使用實(shí)體共節(jié)點(diǎn)的方式，焊點(diǎn)使用Abaqus Fastern 方式連接。（圖1）膠水問題共節(jié)點(diǎn)處理相比多點(diǎn)約束方式可以防止由于膠水彈性模量過小引起的變形過大問題。鈑金結(jié)構(gòu)單元全部采用減縮積分單元[1]，保證準(zhǔn)確的同時(shí)減少計(jì)算時(shí)間，同時(shí)不考慮非線性材料而是在后期結(jié)果處理通過Neuber-hyperba[2]等效轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。

圖1 引擎蓋有限元模型

1.2 緩沖塊、密封條單元以及材料參數(shù)

作為緩沖元件的緩沖塊以及密封條屬于橡膠材料，采用HyperElasticPolynomial 通過能量法Mooney-Rivlin 模型[3]方法擬合。不可壓縮橡膠材料的Mooney-Rivilin 模型為[3]：

式（1）中，W 為橡膠材料應(yīng)變能密度函數(shù)，C1與C2為力學(xué)性能常數(shù)，用來(lái)擬合材料拉伸試驗(yàn)等的參數(shù)。該模型能很好的描述變形小于150%的橡膠材料力學(xué)性能。確定C1和C2的具體方法根據(jù)試驗(yàn)測(cè)出。不同λ主伸長(zhǎng)比下的主應(yīng)力t1，以為1/λ橫坐標(biāo)縱坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)，把試驗(yàn)點(diǎn)繪在坐標(biāo)系中，并把試驗(yàn)點(diǎn)回歸成一直線，C1即為這條直線的截距，C2即為這條直線的斜率。如下圖2 所示，Mooney-Rivlin 曲線擬合緩沖塊橡膠材料EPDM，基本吻合試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖2 利用Mooney-Rivlin擬合單軸拉伸曲線與試驗(yàn)的對(duì)比

密封條的網(wǎng)格截面采用雙層網(wǎng)格大小為1-1.5mm，掃掠長(zhǎng)度方向大小為3mm。緩沖塊網(wǎng)格單元大小為1.5mm，單元格式為減縮積分單元，為防止剪切自鎖，網(wǎng)格層數(shù)可以增多（圖3）。

圖3 密封條和緩沖塊網(wǎng)格

1.3 鎖系統(tǒng)的多體運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)構(gòu)

鎖系統(tǒng)是引擎蓋整個(gè)關(guān)閉模型的主要組成部分，由于鎖內(nèi)部有許多的零件構(gòu)成的機(jī)構(gòu)，因此這一部分建模屬于多體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)建模（圖4）。采用CONN3D2單元類型模擬鎖內(nèi)的彈簧，HINGE 類別，對(duì)于彈簧剛度使用材料控制，初始預(yù)緊力加載。由于鎖內(nèi)部的鎖舌等部件在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中需要接觸，因此此部分在模型中采用通用接觸。

圖4 鎖模型示意

其中1、2、3、4、5、6 分別為鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)零件Joint_1、2、3、4 為鎖內(nèi)彈簧。

1.4 求解類型選擇

對(duì)于多接觸沖擊問題這里使用顯示動(dòng)力學(xué)[4]求解類型，即為瞬態(tài)顯示算法，計(jì)算時(shí)間設(shè)為0.1s。

顯示算法使用中心差分迭代[4]方法如下：

顯示差分方法的關(guān)鍵位置在確定第一步步長(zhǎng)：

式（4）中MNJ為質(zhì)量矩陣，P 是外部作用力，I 是內(nèi)部作用力。顯示算法不需要總體剛度矩陣計(jì)算，允許在某些不影響結(jié)果的單元進(jìn)行質(zhì)量縮放，以減少計(jì)算時(shí)間。在此我們并不進(jìn)行質(zhì)量縮放，但對(duì)極限小的單元進(jìn)行修正（考慮提高最小單元長(zhǎng)度Lmin）。單元與單元的穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算公式：

式（5）中cd為擴(kuò)散波速率。

從式（5）可以看出穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)極限，不僅僅與最小單元長(zhǎng)度有關(guān)。對(duì)于線彈性材料：

從式（6）可以看出材料的特性會(huì)影響波速，對(duì)于非線性材料，隨著材料的屈服，剛度會(huì)變小，導(dǎo)致波速減小，穩(wěn)定極限之會(huì)隨之增大。

圖5 總能量變化曲線

2 結(jié)果輸出分析

2.1 顯示結(jié)果合理性分析

顯示計(jì)算的結(jié)果因?yàn)槭巧弦徊浇Y(jié)果的遞推結(jié)果，一旦超過穩(wěn)定極限步長(zhǎng)就會(huì)變得與實(shí)際變形方式不一致，也就是失真。因此需要比較計(jì)算過程中總體能量的變化，控制在變化率不超過5%，另外應(yīng)變能與內(nèi)能的比值小于10%。圖5 為模型內(nèi)能總能量以及應(yīng)變能。計(jì)算結(jié)果總能量變化在2%以內(nèi)，可以認(rèn)為模型結(jié)果準(zhǔn)確。

2.2 引擎蓋內(nèi)板應(yīng)力分布

引擎蓋關(guān)閉試驗(yàn)開裂部分情況如下（3750 次循環(huán)之后）在內(nèi)板表面發(fā)現(xiàn)裂紋。引擎蓋作為內(nèi)外鈑金的總成零件，關(guān)閉落鎖過程中，主要受到鎖和緩沖系統(tǒng)的沖擊力，其中鎖占了絕大部分。從圖6 看出，裂紋發(fā)生在引擎蓋鎖扣安裝面圓角位置。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果開裂區(qū)域

對(duì)比模擬結(jié)果應(yīng)力分布如圖7。可以看出應(yīng)力集中的位置即是引擎蓋鎖扣安裝面圓角過度位置，初步的原因分析是此處局部結(jié)構(gòu)過度太急，剛度不夠，導(dǎo)致應(yīng)力集中。

3 疲勞分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果，包含了在關(guān)閉時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力變化歷程，對(duì)于這些時(shí)刻的應(yīng)力，把它作為疲勞分析的應(yīng)力輸入。這里采用Miner Elementary[6]方法修正S-N 曲線，同時(shí)利用雨流技術(shù)[7]對(duì)瞬態(tài)應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)數(shù)如圖8 所示。

圖7 應(yīng)力分布

圖8 雨流技術(shù)

A：節(jié)點(diǎn)應(yīng)力瞬態(tài)幅值M：平均應(yīng)力n：雨流技術(shù)幅值統(tǒng)計(jì)數(shù)量

雨流技術(shù)采用Unfavorable Sequence[8]處理，即考慮應(yīng)力疊加最苛刻的順序，這樣疲勞分析模擬結(jié)果更為保險(xiǎn)。

圖9 應(yīng)力序列方法

對(duì)于彈性材料利用Neuber-Hyperbola 方法通過應(yīng)變能[9]等效方法影射到塑形材料。Neuber-Hyperbola方法原理就是在知曉材料塑性材料的基礎(chǔ)上，將不考慮塑性的彈性體應(yīng)變能等效為同等非線性材料的應(yīng)變能，這樣將非線性放在了計(jì)算求解之后，作為應(yīng)力整理過程的處理，可以大大的減少計(jì)算時(shí)間，避免由于引入非線性材料導(dǎo)致的問題。

圖10 Neuber-Hyperbola方法

4 方案及模擬結(jié)果分析對(duì)比

鎖加強(qiáng)版在右側(cè)圓角位置沒有與鈑金的鈑金加強(qiáng)面，并且此處的內(nèi)板圓角過小，在落鎖的過程中導(dǎo)致此處的變形過大，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中（圖11）。顯而易見，需要在這個(gè)位置對(duì)內(nèi)板進(jìn)行加強(qiáng)，將鎖加強(qiáng)板延出，并與內(nèi)板通過膠水連接，同時(shí)放大內(nèi)板此處的圓角避免局部造型變化劇烈導(dǎo)致的應(yīng)力集中。優(yōu)化的方案如圖12 所示，對(duì)于開裂的位置進(jìn)行加強(qiáng)版的補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)對(duì)于圓角進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大，在考慮到無(wú)法進(jìn)行焊點(diǎn)連接，設(shè)計(jì)為膠水連接方式。

圖11 結(jié)構(gòu)及變形分析

圖12 方案措施

方案和基礎(chǔ)模型的應(yīng)力分布對(duì)比，方案狀態(tài)明顯應(yīng)力等級(jí)降了一個(gè)水平，修補(bǔ)的鎖加強(qiáng)板起到了加強(qiáng)剛度的作用（圖13）。

圖13 應(yīng)力對(duì)比

在此基礎(chǔ)上，將應(yīng)力結(jié)果輸入到疲勞分析瞬態(tài)結(jié)果計(jì)算中可以得到疲勞分析結(jié)果，5000 次循環(huán)后的損傷系數(shù)為如圖14 所示，基礎(chǔ)狀態(tài)下?lián)p傷系數(shù)[10]為2.1遠(yuǎn)大于1，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，這也與試驗(yàn)結(jié)果一致，而優(yōu)化方案此處損傷系數(shù)為0.1，應(yīng)該能保證避免此處避免開裂的風(fēng)險(xiǎn)，接下來(lái)，需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

圖14 疲勞損傷值對(duì)比

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

方案措施在5000 次引擎蓋關(guān)閉試驗(yàn)中的結(jié)果圖15，試驗(yàn)檢測(cè)沒有出現(xiàn)裂紋，因此方案是有效的，整個(gè)制造試驗(yàn)流程也得到了可行性確認(rèn)。

圖15 方案試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

汽車引擎蓋在開啟與關(guān)閉落鎖的過程中需要承擔(dān)相應(yīng)的強(qiáng)度、疲勞要求，并結(jié)合工藝要求保障結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以減少不必要的開發(fā)費(fèi)用，因此需要一種結(jié)合分析與試驗(yàn)的方法評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

本文通過分析某車型在預(yù)生產(chǎn)階段出現(xiàn)的開裂問題，充分利用模擬計(jì)算方法分析引擎蓋的結(jié)構(gòu)缺陷，在生產(chǎn)工藝允許的范圍內(nèi)快速找出改進(jìn)措施，并通過計(jì)算手段驗(yàn)證了方案應(yīng)力水平以及疲勞極限上的可行性，在短時(shí)間通過試驗(yàn)驗(yàn)證了解決方案，形成了一整套的試驗(yàn)-計(jì)算檢驗(yàn)方法。此分析方法及其建模方式可以作為新車型的引擎蓋強(qiáng)度疲勞風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估手段。