CAE于發(fā)動機蓋拓?fù)鋬?yōu)化中的應(yīng)用

 1、前言

 發(fā)動機蓋是車身中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響了汽車的NVH性能、碰撞安全性能、防水性、門蓋開啟方便性及整車外觀等。因此，對汽車發(fā)動機蓋的模態(tài)，剛度、強度進(jìn)行分析研究及優(yōu)化顯得很有必要。

 本文通過有限元分析方法，利用HyperMesh建立有限元分析模型，采用OptiStruct求解器進(jìn)行計算求解。通過分析結(jié)果對比，對不合格工況進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，并對最終優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行性能檢驗。

 2、模型概況

 發(fā)動機蓋總成以鈑金件為主，在結(jié)構(gòu)上一般由外板和內(nèi)板組成，中間夾以隔熱材料，內(nèi)板起到增強剛性的作用，該總成還包括鎖鉤加強板，鎖鉤，鉸鏈，鉸鏈支座，鉸鏈加強板。

圖1.1發(fā)動機蓋有限元模型

 有限元模型主要采用殼單元和實體單元進(jìn)行建模：其中內(nèi)板，外板，鎖加強板，鉸鏈，鉸鏈支座，鉸鏈加強板按10mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，殼單元總共34427個，鎖鉤劃分為實體單元，因為鎖鉤尺寸比較小，按照3mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分。發(fā)動機蓋內(nèi)外板的邊緣通過包邊處理實現(xiàn)連接；鉸鏈固定在車身上，采用RBE2模擬螺栓連接，并約束六自由度使其固定；鉸鏈座與鉸鏈臂之間采用銷軸連接，通過RBE2模擬螺栓連接，約束12346自由度，放開Y軸的旋轉(zhuǎn)自由度5；鉸鏈與內(nèi)板的連接采用螺栓，通過RBE2單元進(jìn)行模擬，約束123456自由度；內(nèi)板與外板之間的膠連接，通過ACM單元模擬實現(xiàn)；鉸鏈處的焊點采用CWELD單元模擬實現(xiàn)；鎖鉤與鎖加強板之間是焊接關(guān)系，鎖鉤是體單元，為了更真實的模擬連接關(guān)系采用RBE2單元模擬實現(xiàn)；緩沖塊采用彈簧SPRING單元實現(xiàn)，密封膠采用CBUSH單元模擬實現(xiàn)。發(fā)動機蓋總成質(zhì)量為17.48kg，模型的材料屬性見表1.1，其中發(fā)動機蓋總成結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1.1所示。

表1.1模型材料屬性

 3、模型分析

 （1）模型計算及分析結(jié)果

模型檢查無誤之后，進(jìn)行工況加載并計算。發(fā)動機蓋的模型計算工況包括剛度、強度、模態(tài)、非線性分析等等十多種，讀取計算結(jié)果與工況要求目標(biāo)值進(jìn)行比較：自由模態(tài)工況中的扭轉(zhuǎn)模態(tài)為24.59HZ，小于合格目標(biāo)值30HZ，不滿足工況要求；扭轉(zhuǎn)剛度為8750.70N·m/rad，略小于合格目標(biāo)值9000N·m/rad，不滿足工況要求；前乘坐工況的最大應(yīng)力為183.19MPa，大于屈服應(yīng)力，不滿足工況要求；側(cè)乘坐工況的最大應(yīng)力為171.99MPa，與屈服應(yīng)力非常接近；后乘坐工況的最大應(yīng)力為209.39MPa，大于屈服應(yīng)力，不滿足工況要求。

 綜上所述，自由模態(tài)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度、乘坐（前乘坐、側(cè)乘坐、后乘坐）強度、下拉強度等等工況的計算結(jié)果，不滿足設(shè)計工況要求，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

 （2）發(fā)動機蓋內(nèi)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

 拓?fù)鋬?yōu)化的研究領(lǐng)域主要分為連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。不論哪個領(lǐng)域，都要依賴于有限元方法。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化是把優(yōu)化空間的材料離散成有限個單元（殼單元或者體單元），離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是在設(shè)計空間內(nèi)建立一個由有限個梁單元組成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)算法確定設(shè)計空間內(nèi)單元的去留，保留下來的單元即構(gòu)成最終的拓?fù)浞桨?，從而實現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化。目前，連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的研究已經(jīng)較為成熟，主要有均勻化方法、變密度法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（ESO）以及水平集方法等。

 由上面分析可知多種工況不滿足設(shè)計要求，需要對發(fā)動機蓋總成進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。對于發(fā)動機蓋總成來說，外板及鉸鏈的形狀一般不可以改變，外板為空間曲面板，要迎合整車造型的需求，體現(xiàn)轎車的外形風(fēng)格，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間不大。內(nèi)板為薄鋼板，筋條網(wǎng)格狀布置，其主體結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要布置孔洞，以減輕自身重量，內(nèi)板的作用還包括：加強結(jié)構(gòu)剛度、達(dá)到足夠的抗凹性能及滿足碰撞（行人保護(hù)）法規(guī)要求，此外兼顧加工工藝、輕量化、車身的防腐蝕和最低成本原則等方面的需要。

 本文在保證發(fā)動機蓋總成外板形狀不變的情況下，采用變密度法對發(fā)動機蓋內(nèi)板及加強件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。因發(fā)動機蓋內(nèi)板結(jié)構(gòu)多種多樣，對發(fā)動機蓋的模態(tài)、剛度和其他性能的影響較大，這里僅考察內(nèi)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對發(fā)動機蓋總成模態(tài)、剛度和強度的性能提升影響。

 優(yōu)化分析步驟：

 a、設(shè)定約束

 優(yōu)化約束是在優(yōu)化過程中必須滿足的條件，為了保持發(fā)動機蓋的性能，故需要約束。權(quán)衡計算速度，本文選取發(fā)動機蓋自由扭轉(zhuǎn)模態(tài)和扭轉(zhuǎn)剛度作為優(yōu)化約束，要求各優(yōu)化約束指標(biāo)均不低于原設(shè)計性能。本文中設(shè)定自由扭轉(zhuǎn)模態(tài)固有頻率最小為30HZ，扭轉(zhuǎn)剛度為9000N·m/rad。

 b、設(shè)計變量

 OptiStruct的拓?fù)鋬?yōu)化過程采用變密度法。該方法假設(shè)材料的彈性模量與材料的密度為確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，且每個設(shè)計單元的密度為一個優(yōu)化變量。當(dāng)優(yōu)化結(jié)果表示設(shè)計單元的密度接近0，表示該單元彈性模量接近0，即該單元對考察的優(yōu)化工況沒有貢獻(xiàn)，該單元應(yīng)剔除；若密度越接近1，表示該單元的貢獻(xiàn)量越大，該單元需要優(yōu)先保留。在本文中因為內(nèi)板的厚度為0.7mm，設(shè)置basethickness=0.7mm，內(nèi)板的厚度在0.7-1.5mm之間變化。

 c、優(yōu)化結(jié)果分析

 通過HyperView進(jìn)行后處理，并查看優(yōu)化結(jié)果。設(shè)計單元的密度是該內(nèi)板結(jié)構(gòu)保留或增強的標(biāo)志。密度越高，顏色越紅，則說明該結(jié)構(gòu)對所考察的工況越重要，反之，密度越低，顏色接近藍(lán)色，則該結(jié)構(gòu)對所考察的工況所起的作用越小。從密度分布圖2。1中可以看出：內(nèi)板的”A”字肋比較薄弱，需要進(jìn)行加強改善以提高發(fā)動機蓋總成的性能。

圖2.1拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果-內(nèi)板密度效果圖

 （3）優(yōu)化方案

 a、根據(jù)工藝要求，對于易引起大變動的結(jié)構(gòu)部位或者是與其他總成的連接部位盡量維持原有設(shè)計，減少模具的改造成本，紅黃藍(lán)三線框圖所示，例如：裝焊安裝孔，緩沖臺，鎖扣安裝位置等等，見圖2.2，對于這些部位稍有變動，會引起其他連接件的變動，涉及范圍比較廣，增加了經(jīng)濟成本，所以這些部位都維持原有的設(shè)計。

圖2.2幾何模型

 b、根據(jù)經(jīng)驗并參考優(yōu)化結(jié)果，提出了兩種改進(jìn)方案：

 方案一修改”A”字形的中間肋的結(jié)構(gòu)，增加截面面積，增大垂向的傾斜度，見圖2.3。

圖2.3方案一

 方案一的計算結(jié)果：自由模態(tài)工況中的扭轉(zhuǎn)模態(tài)為26.34HZ，小于合格目標(biāo)值，不滿足工況要求；扭轉(zhuǎn)剛度為9260N·m/rad，略大于合格目標(biāo)值，滿足工況要求；前乘坐工況的最大應(yīng)力為195.23MPa，大于屈服應(yīng)力，不滿足工況要求；側(cè)乘坐工況的最大應(yīng)力為107.43MPa，小于屈服應(yīng)力，滿足工況要求；后乘坐工況的最大應(yīng)力為88.45MPa，小于屈服應(yīng)力，滿足工況要求。

 方案二抬高如圖2.4所示的兩個部位，使“A”字形內(nèi)板結(jié)構(gòu)更加完整。

 方案二的計算結(jié)果：自由模態(tài)工況中的扭轉(zhuǎn)模態(tài)為30.04HZ，略大于合格目標(biāo)值，滿足工況要求；扭轉(zhuǎn)剛度為11771.30N·m/rad，大于合格目標(biāo)值，滿足工況要求；前乘坐工況的最大應(yīng)力為182.11MPa，略微大于材料承受的最大屈服應(yīng)力，不滿足工況要求；側(cè)乘坐工況的最大應(yīng)力為101.21MPa，小于屈服應(yīng)力，滿足工況要求；后乘坐工況的最大應(yīng)力為86.42MPa，小于屈服應(yīng)力，滿足工況要求。

圖2.4方案二

 綜上所述，自由扭轉(zhuǎn)模態(tài)均滿足設(shè)計要求，前乘坐應(yīng)力略大于目標(biāo)值，而且前乘坐工況只是偶爾會發(fā)生的現(xiàn)象，在計算中也會存在誤差，所以此處忽略前乘坐應(yīng)力稍大的情況，方案二基本上滿足設(shè)計要求。在滿足設(shè)計要求的同時發(fā)動機蓋總成的質(zhì)量也沒有增加，所以本文采用方案二的優(yōu)化設(shè)計方案，至此優(yōu)化結(jié)束。

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