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

秦軒轅 王秋鋒 李廣府

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)：1003-5168（2021）01-0117-03

Abstract： This paper discussed the application of CAE analysis in the optimization design of automobile hood， taking the hood cracking of a pickup truck as an example. Firstly， the problem of hood cracking of a pickup truck was described， and then the application of CAE analysis in practical problems was discussed from the aspects of model establishment， modal analysis， strength analysis and optimization design.

Keywords： computer aided engineering;hood cracking;modal analysis;strength analysis

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、碰撞安全、動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、NVH（Noise、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發(fā)展趨勢(shì)。

CAE（Computer Aided Engineering）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28 000 km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)度不足。從振動(dòng)方面考慮，可能是由于與某一頻率激勵(lì)發(fā)生共振，一般參考汽車怠速頻率（25 Hz）;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。

2 CAE分析在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用

2.1 建立模型

引擎蓋質(zhì)量（不帶鉸鏈及隔熱墊）為14.84 kg。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。

2.2 模態(tài)分析

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(wú)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)。

2.3 強(qiáng)度分析

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]。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.4.1 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(lái)，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0.6 mm增加至0.7 mm。

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

2.4.2 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，可承受更大的激勵(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1.2 mm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62.5 MPa，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，承受更大的激勵(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，但成本增加，也可做備用選擇。

考慮到成本、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，且成本較低。

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，2001（5）：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，2011：148-154.

[3]張洪武.有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：124-156.