發(fā)動機(jī)罩的沖壓工藝性及形貌的優(yōu)化設(shè)計(jì)

董 廷， 陳 嘯

(金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司， 江蘇 蘇州 215000)

為了便于制作和減輕重量，很多前置客車車內(nèi)的發(fā)動機(jī)罩都采用了沖壓件。在進(jìn)行發(fā)動機(jī)罩沖壓件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，沖壓成型的工藝性和剛度是需要重點(diǎn)考慮的。對此，本文采用有限元法對發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行沖壓工藝和形貌優(yōu)化分析，以提高發(fā)動機(jī)罩的沖壓工藝性和剛度[1]。

1 沖壓工藝性優(yōu)化

在進(jìn)行發(fā)動機(jī)罩設(shè)計(jì)時，首先根據(jù)發(fā)動機(jī)和駕駛區(qū)布置的空間要求[2]，設(shè)計(jì)出發(fā)動機(jī)罩的初始外形結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)沖壓工藝要求進(jìn)行發(fā)動機(jī)罩的模具設(shè)計(jì)，再通過沖壓成型分析進(jìn)行工藝性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 發(fā)動機(jī)罩及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)整車空間布置要求設(shè)計(jì)出的發(fā)動機(jī)罩初始外形如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)罩初始外形

進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，模具的分型面應(yīng)為沖壓成型分析的最終沖壓狀態(tài)。發(fā)動機(jī)罩上部檢修口是沖壓完成后采用激光切割出來的，因此在模具設(shè)計(jì)時去掉上部檢修口，最終提取出的用于沖壓成型分析的模具分型面如圖2所示。

圖2 模具分型面

1.2 沖壓成型分析及優(yōu)化

在沖壓成型分析時，發(fā)動機(jī)罩有限元模型采用殼單元。圓角處和曲面的過渡處是沖壓工藝性比較差的區(qū)域，在進(jìn)行沖壓成型分析的前處理時應(yīng)注意保留曲面的所有圓角，并在圓角處局部增加網(wǎng)格密度。

發(fā)動機(jī)罩屬于深沖壓，沖壓毛坯材料選用板材DC04，板厚為1 mm。對發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行沖壓成型有限元分析[3-4]，提取分析結(jié)果的材料減薄率(即沖壓成型完成后板材厚度減少的百分比)和失效區(qū)如圖3和圖4所示。

由分析結(jié)果可知，在發(fā)動機(jī)罩后立面、后部圓角和前部圓角處沖壓完成后材料的減薄率較大，達(dá)到了40%以上，材料的失效區(qū)也主要集中在這幾個位置，此位置在實(shí)際沖壓時很容易發(fā)生沖壓撕裂[5-6]。為保證沖壓時這幾處不出現(xiàn)材料破壞，將發(fā)動機(jī)罩后立面的拔模斜度由原來的12°調(diào)整為18°，后立面的2個圓角半徑由原來的120 mm調(diào)整為150 mm，上表面與側(cè)面間的圓角半徑由原來的15 mm調(diào)整為30 mm，并對側(cè)面出現(xiàn)材料失效的位置進(jìn)行曲面光順。調(diào)整后再次進(jìn)行沖壓成型分析，材料的最大減薄率控制在了20%以內(nèi)，無材料失效區(qū)出現(xiàn)。

圖3 發(fā)動機(jī)罩沖壓成型分析材料減薄率

圖4 發(fā)動機(jī)罩沖壓成型分析材料失效區(qū)

2 形貌優(yōu)化

為增加發(fā)動機(jī)罩剛度，減小振動，應(yīng)盡可能加大發(fā)動機(jī)罩的固有頻率。因此，發(fā)動機(jī)罩的形貌優(yōu)化以提高發(fā)動機(jī)罩的固有頻率為目的[7-8]，通過在適當(dāng)?shù)奈恢迷黾蛹訌?qiáng)筋來增加發(fā)動機(jī)罩的剛度。

2.1 發(fā)動機(jī)罩模態(tài)分析

為提高模態(tài)分析的準(zhǔn)確性，發(fā)動機(jī)罩的檢修口、止口等結(jié)構(gòu)部件應(yīng)體現(xiàn)在有限元模型中。采用殼單元對發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行模態(tài)分析[9-10]，以確定形貌優(yōu)化的區(qū)域。發(fā)動機(jī)罩周邊通過焊接的形式固定在駕駛區(qū)地板骨架上，駕駛區(qū)地板骨架相對剛度較大，因此可對發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行周邊固定的非自由模態(tài)分析。模態(tài)分析后，提取前6階固有頻率，見表1。前2階模態(tài)分析的變形云圖如圖5所示。

表1 發(fā)動機(jī)罩前6階固有頻率 Hz

圖5 第1、2階模態(tài)分析變形云圖

由模態(tài)分析振型圖可以看出：前3階模態(tài)下，主要是發(fā)動機(jī)罩上表面的上下振動；第4階模態(tài)下，發(fā)動機(jī)罩上表面產(chǎn)生上下振動，側(cè)立面產(chǎn)生內(nèi)外振動；第5階模態(tài)下，發(fā)動機(jī)罩后立面產(chǎn)生了內(nèi)外振動；第6階模態(tài)下，發(fā)動機(jī)罩上表面、側(cè)面和后立面均產(chǎn)生了振動，整個發(fā)動機(jī)罩產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)振動。

2.2 發(fā)動機(jī)罩形貌優(yōu)化

從前6階的變形云圖可以看出，發(fā)動機(jī)罩的變形主要在上表面的大平面區(qū)。因此，將發(fā)動機(jī)罩的上表面作為形貌優(yōu)化的優(yōu)化區(qū)域。優(yōu)化模型為[11-12]：

其中設(shè)計(jì)變量X={x1,x2…xn}為發(fā)動機(jī)罩上表面的大平面區(qū)。目標(biāo)函數(shù)Frq(X)為一階固有頻率，優(yōu)化目標(biāo)是一階固有頻率最大化。約束函數(shù)gk(X)為加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)：最小寬度為50 mm，高度為5 mm，拔模角度為60°。

經(jīng)過12次迭代分析后，發(fā)動機(jī)罩上表面的形貌優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖6 發(fā)動機(jī)罩上表面形貌優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)形貌優(yōu)化結(jié)果的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在發(fā)動機(jī)罩上表面增加加強(qiáng)筋。發(fā)動機(jī)罩的最終設(shè)計(jì)效果如圖7所示。

圖7 發(fā)動機(jī)罩最終設(shè)計(jì)狀態(tài)

2.3 形貌優(yōu)化結(jié)果對比分析

對優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)罩再次進(jìn)行模態(tài)分析，提取前6階固有頻率，見表2。

表2 優(yōu)化后發(fā)動機(jī)罩前6階固有頻率 Hz

對兩次模態(tài)分析得到的固有頻率進(jìn)行對比可發(fā)現(xiàn)，通過形貌優(yōu)化1階固有頻率得到了很大提升，增加了71%，前6階固有頻率均有所增加，特別是前3階固有頻率，都增加了40%以上，而重量僅增加了0.11 kg。

3 結(jié)束語

在制作沖壓件時需要制作沖壓模具，對于大的沖壓模具當(dāng)制作完成后再進(jìn)行修改是非常困難的。在進(jìn)行發(fā)動機(jī)罩設(shè)計(jì)時，提前通過有限元進(jìn)行沖壓工藝性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以保證發(fā)動機(jī)罩一次性設(shè)計(jì)成功，避免后期的反復(fù)修改。