CAE在汽車引擎設(shè)計(jì)優(yōu)化的有限元分析與應(yīng)用

 一、背景

 汽車引擎蓋結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)板和外板兩部分組成，起到發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)以及空氣導(dǎo)流的作用。通常引擎蓋考察的幾個(gè)主要性能為整體及局部剛度、模態(tài)、外覆蓋件抗凹性能以及碰撞中的行人保護(hù)。

 對(duì)于模態(tài)、剛度、抗凹性能的改進(jìn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，通過(guò)形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等多種手段都可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的改進(jìn)，但是基于行人保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，通常的做法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)改進(jìn)模型或者借助HyperStudy等優(yōu)化工具，運(yùn)用集成優(yōu)化的方法將各種性能納入優(yōu)化流程來(lái)進(jìn)行改進(jìn)，但是這種方法受限于計(jì)算能力或響應(yīng)面的精度等因素，優(yōu)化計(jì)算時(shí)間和后處理時(shí)間比較長(zhǎng)。

 在這里，cae應(yīng)用方案專家——有限元科技為大家提供一種借助于靈敏度分析快速實(shí)現(xiàn)提升行人保護(hù)性能的改進(jìn)思路，可以在一定程度上適用于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和改進(jìn)。

 二、案例概述

 為了能比較清楚地介紹上述方法，下面將通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單案例加以描述。

 1、當(dāng)前狀態(tài)描述

 對(duì)下圖1引擎蓋而言，在行人保護(hù)的頭碰分析中存在一定風(fēng)險(xiǎn)，影響碰撞得分?？紤]對(duì)該結(jié)構(gòu)的內(nèi)板進(jìn)行改進(jìn)。其頭碰分析的結(jié)果如圖2所示。圖中顏色表征了傷害值，從高到低分別為紅色、橙色、黃色、綠色。圖2中引擎蓋的中間部位基本為黃色及不同程度的橙色，說(shuō)明傷害值比較大，需要大幅降低，并相應(yīng)的增加綠色區(qū)域的比例。

圖1發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋內(nèi)板結(jié)構(gòu)

圖2頭碰結(jié)果

 為了能改善頭碰性能，引擎蓋內(nèi)板的很多區(qū)域需要進(jìn)行減弱，內(nèi)板減弱的同時(shí)亦需要兼顧模態(tài)剛度等性能指標(biāo)。

 2、前處理

 如圖3示例，將引擎蓋的內(nèi)板劃分為若干區(qū)域，以其厚度或彈性模量的變化來(lái)表征結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)或削弱，以此靈敏度來(lái)判斷內(nèi)板各部分對(duì)整體模態(tài)剛度等性能的貢獻(xiàn)。所考察的響應(yīng)指標(biāo)為模態(tài)、整體及局部的各種剛度、重量。根據(jù)上述劃分，本文選取12個(gè)區(qū)域鈑金的厚度作為變量，主要包括引擎蓋的四周主梁鈑金以及內(nèi)部的加強(qiáng)梁鈑金，確保左右對(duì)應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)能協(xié)同變化。

 3、后處理

圖3內(nèi)板分區(qū)域圖例

圖4靈敏度分析結(jié)果

 采用田口法進(jìn)行DOE分析，結(jié)果如圖4所示。由結(jié)果可以判斷出每個(gè)部分對(duì)所考察的剛度、模態(tài)的影響程度。絕對(duì)值越大，表明變量與考察性能的相關(guān)性就強(qiáng)，而正負(fù)號(hào)表征的上述相關(guān)性為正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)。從分析結(jié)果看，input7到input11主要為為引擎蓋內(nèi)各加強(qiáng)梁，相關(guān)性數(shù)值比較小，說(shuō)明這些加強(qiáng)梁鈑金厚度對(duì)于所關(guān)注的整體、局部剛度以及模態(tài)的影響非常小，可以根據(jù)行人保護(hù)頭碰的性能需求來(lái)對(duì)相關(guān)梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整而不影響其它關(guān)注的性能指標(biāo)。同時(shí)也比較容易通過(guò)其它相對(duì)敏感位置的增強(qiáng)來(lái)彌補(bǔ)因內(nèi)部橫梁減弱帶來(lái)的性能降低。

 三、結(jié)果驗(yàn)證

 1、頭碰分析驗(yàn)證

 根據(jù)上文分析的結(jié)果以及與相關(guān)設(shè)計(jì)人員、分析人員的交流，通過(guò)HyperWorks中的morph功能，在有限元模型的基礎(chǔ)上選擇相關(guān)加強(qiáng)梁進(jìn)行網(wǎng)格變形和調(diào)整，以改變梁的截面寬度、高度、改變橫梁位置、開(kāi)孔等為主要方向，從而快速實(shí)現(xiàn)對(duì)初版新模型的驗(yàn)證，見(jiàn)圖5。從圖6的結(jié)果中可知，在新模型的頭碰分析中，由于對(duì)內(nèi)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了針對(duì)性的調(diào)整，頭碰得分得到了有效改善。

圖5改進(jìn)后的新模型

圖6新模型的頭碰分析驗(yàn)證

 2、模態(tài)剛度驗(yàn)證

 對(duì)新模型的模態(tài)剛度進(jìn)行校核，結(jié)果顯示，由于結(jié)構(gòu)改變帶來(lái)的模態(tài)剛度性能降低較小，均在滿足性能要求的范圍內(nèi)。結(jié)果見(jiàn)圖7。

 四、結(jié)論

圖7模態(tài)剛度驗(yàn)證結(jié)果

 本文中僅以簡(jiǎn)單案例介紹了一種快速通過(guò)靈敏度分析來(lái)改善引擎蓋行人保護(hù)中頭碰性能的思路，其精度與設(shè)置詳細(xì)形狀變量開(kāi)展集成優(yōu)化的方法不具有可比性，相對(duì)于通過(guò)詳細(xì)優(yōu)化尋找最優(yōu)解的方法，本文中的思路是通過(guò)優(yōu)化手段來(lái)提供改進(jìn)方向，快速高效地找到工程中的可行解，滿足特定項(xiàng)目和工程需求。

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