基于行人頭部保護(hù)的某SUV發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)分析

邢艷云， 于 波， 呂曉江

(1. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 汽車(chē)與交通學(xué)院， 天津 300160； 2. 中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心， 天津 300162； 3. 浙江吉利汽車(chē)研究院有限公司， 浙江 杭州 311228)

歐洲新車(chē)安全評(píng)價(jià)體系(EuroNCAP)是世界公認(rèn)的汽車(chē)安全權(quán)威評(píng)價(jià)體系[1]，獲得高分星級(jí)評(píng)價(jià)是各主要汽車(chē)廠商的重要設(shè)計(jì)目標(biāo)之一.某SUV在EuroNCAP五星開(kāi)發(fā)過(guò)程中為了滿足行人保護(hù)性能要求[2]將發(fā)動(dòng)機(jī)罩(以下稱發(fā)動(dòng)機(jī)罩)內(nèi)板更換，更換發(fā)動(dòng)機(jī)罩后的車(chē)型滿足EuroNCAP安全行人保護(hù)五星開(kāi)發(fā)要求[3-4]，但更換后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板是否滿足其他方面的要求，例如NVH、剛度、強(qiáng)度等性能要求，需要進(jìn)一步驗(yàn)證[5].

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)(CAE)在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，使用CAE方法進(jìn)行模態(tài)分析基本可以替代試驗(yàn)方法，CAE分析在縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量和可靠性、降低產(chǎn)品成本等方面，起到?jīng)Q定性作用.

本文使用Hyperworks軟件建立更換發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板前后發(fā)動(dòng)機(jī)罩有限元模型[6]，使用Nastran軟件對(duì)更換前后發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)比兩者之間的差距，研究更換發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板前后固有模態(tài)變化，驗(yàn)證新發(fā)動(dòng)機(jī)罩是否滿足NVH性能.

1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩有限元模型的建立

建立發(fā)動(dòng)機(jī)罩的有限元模型，就是根據(jù)所研究問(wèn)題的具體情況，選擇合適的有限元單元，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)離散化，給模型賦予合適的材料屬性，進(jìn)行邊界條件模擬，由相關(guān)經(jīng)驗(yàn)積累可知，模態(tài)計(jì)算結(jié)果基本與試驗(yàn)吻合，誤差很小，相關(guān)的計(jì)算結(jié)果可以作為參考指導(dǎo).

出于加工、裝配等工藝需要,發(fā)動(dòng)機(jī)罩有很多細(xì)小的結(jié)構(gòu)特征.這些特征大多尺寸很小，如果進(jìn)行精確建模，將使得單元尺寸變小、數(shù)目增多.這樣一方面小的單元尺寸會(huì)違背單元的厚度應(yīng)遠(yuǎn)小于單元的邊長(zhǎng)的殼單元理論的基本假設(shè)，另一方面單元數(shù)目的增多，對(duì)計(jì)算機(jī)軟件和硬件設(shè)備也提出了更高的要求，且需耗費(fèi)更多的計(jì)算時(shí)間.由于這些特征對(duì)整體結(jié)構(gòu)的性能影響很小，因此建模時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化如下：

(1)刪除了較小的讓位臺(tái)階和過(guò)渡圓角.

(2)接頭位置結(jié)構(gòu)通常偏離規(guī)則的幾何形狀，多為翹曲很大的過(guò)渡結(jié)構(gòu).對(duì)這類結(jié)構(gòu)用尺寸較小的、比較規(guī)則的幾何形狀進(jìn)行擬合，用三角形單元和四邊形單元進(jìn)行手工劃分單元網(wǎng)格.

(3)刪除孔徑(不包含螺母)小于5mm的工藝圓孔，有利于劃分單元網(wǎng)格、簡(jiǎn)化建模，并且可以保證較高的計(jì)算精度.

1.1 單元尺寸的選取

根據(jù)計(jì)算時(shí)間與計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性之間關(guān)系，本文選用的網(wǎng)格尺寸大部分為10mm×10mm，所建立的部分結(jié)構(gòu)及整體結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型如圖1和圖2所示.

1.2 單元形狀的選取

在建立發(fā)動(dòng)機(jī)罩的詳細(xì)模型時(shí)，考慮其力學(xué)特性，選用殼單元，該單元以四邊形單元為主，同時(shí)有適當(dāng)?shù)纳倭勘壤娜切螁卧?

1.3 網(wǎng)格質(zhì)量的控制

圖1 優(yōu)化前發(fā)動(dòng)機(jī)罩有限元模型

圖2 優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)罩有限元模型

選用網(wǎng)格時(shí)，網(wǎng)格布局要合理，過(guò)渡平緩，稀疏適當(dāng)才能得到質(zhì)量高的單元，有利于后續(xù)的有限元分析.本文選用的網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如圖3所示.

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

圖4 膠粘模擬方式示意圖

圖5 膠粘材料示意圖

1.4 網(wǎng)格分布

網(wǎng)格的分布要求是采用盡量少的單元數(shù)目達(dá)到滿意的模擬效果.因此，只在應(yīng)力的高梯度區(qū)采用較細(xì)密的網(wǎng)格.

1.5 連接方式的模擬

發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板之間采用膠粘的連接方式，內(nèi)板加強(qiáng)板通過(guò)螺栓連接與焊接的方式將其固定在內(nèi)板上，內(nèi)外板之間通過(guò)包邊的形式連接在一起.

1)膠粘模擬

發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板之間主要通過(guò)膠粘方式連接，膠粘模擬方式對(duì)結(jié)果有較大的影響，本文根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，膠粘連接模擬方式如圖4所示.膠粘材料如圖5所示.膠粘厚度采用體單元方式實(shí)現(xiàn).

2)焊點(diǎn)螺栓模擬

發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板與其加強(qiáng)板之間主要采用焊接與螺栓固定的方式，內(nèi)外板與其加強(qiáng)板之間由于焊點(diǎn)較少，使用REB2單元模擬焊點(diǎn)與cweld差別不大，因此文中使用REB2模擬焊點(diǎn)與螺栓連接(圖8，圖9).

圖6 原車(chē)型膠粘模擬示意圖

圖7 優(yōu)化后車(chē)型膠粘模擬示意圖

圖8 改進(jìn)車(chē)型焊點(diǎn)與螺栓模擬示意圖

圖9 原車(chē)型焊點(diǎn)與螺栓模擬示意圖

3)包邊模擬

發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板包邊采用節(jié)點(diǎn)耦合的方式實(shí)現(xiàn)，最外側(cè)包邊部分材料使用發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板代替，厚度為一層內(nèi)板厚度與兩層外板厚度之和(圖10).

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)罩包邊模擬示意圖

2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩模型模態(tài)分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)模擬計(jì)算

本文采用有限元結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化軟件Nastran對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩模型進(jìn)行求解，其計(jì)算結(jié)果如圖11所示.

(a) 原車(chē)型一階模態(tài)振型云圖

(b) 改進(jìn)車(chē)型一階模態(tài)振型云圖

(c) 原車(chē)型二階模態(tài)振型云圖

(d) 改進(jìn)車(chē)型二階模態(tài)振型云圖

(e)原車(chē)型三階模態(tài)振型云圖

(f) 改進(jìn)車(chē)型三階模態(tài)振型云圖

(g)原車(chē)型四階模態(tài)振型云圖

(h) 改進(jìn)車(chē)型四階模態(tài)振型云圖

(i)原車(chē)型五階模態(tài)振型云圖

(j) 改進(jìn)車(chē)型五階模態(tài)振型云圖

(k)原車(chē)型六階模態(tài)振型云圖

(l) 改進(jìn)車(chē)型六階模態(tài)振型云圖圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)罩第N階振型云圖對(duì)比示意圖

2.2 結(jié)果分析

優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)對(duì)比見(jiàn)表1.

表1 優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)值對(duì)比表

優(yōu)化前固有頻率為46Hz，優(yōu)化后固有頻率為40Hz，固有頻率降低的主要原因是為了滿足行人保護(hù)要求，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)罩的剛度.根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]可知，對(duì)于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，一個(gè)周期內(nèi)有兩次主要激振，其激振主要為二階激振，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速介于600r/min～900r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)二階激振頻率介于20Hz～30Hz之間，可見(jiàn)優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩固有頻率遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激振頻率，不會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振，優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩能夠同時(shí)兼顧EuroNCAP行人保護(hù)頭部五星性能與NVH模態(tài)性能[8].

3 結(jié)束語(yǔ)

本文使用Nastran軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩有限元模型優(yōu)化前后進(jìn)行模態(tài)分析，得到優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)罩前6階模態(tài)值.結(jié)果表明，優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板能夠在滿足 EuroNCAP行人頭部保護(hù)性能前提下避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)，滿足NVH模態(tài)要求，優(yōu)化結(jié)果能為SUV車(chē)型內(nèi)板性能提升、優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考.

[1]European New Car Assessment Program(EuroNCAP)[S]. Pedestrian Testing Protocol, Version 5.2,2010.

[2]GB/T24550-2009 汽車(chē)對(duì)行人的碰撞保護(hù)保護(hù)[S].

[3]邢艷云, 于波, 呂曉江, 等. 基于EuroNCAP行人頭部保護(hù)的某SUV建模、驗(yàn)證與優(yōu)化[J].汽車(chē)技術(shù), 2013(04):38-41.

[4]潘作峰, 單勇, 鞠偉. 行人頭部碰撞過(guò)程分類及控制方法研究[C]//第14屆汽車(chē)安全技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議. 北京: 中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì), 2011:134-139.

[5]余本善. 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)和剛度的分析及優(yōu)化[J]. 機(jī)械制造, 2010(09):16-18.

[6]于開(kāi)平, 周傳月, 譚惠豐, 等. HyperMesh從入門(mén)到精通[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005:190-204.

[7]龐劍, 諶剛, 何華. 汽車(chē)噪聲與振動(dòng)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2006: 119-124.

[8]張豐利, 雷明準(zhǔn), 陳劍, 等. 某SRV發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)分析及頻率優(yōu)化研究[J]. 汽車(chē)技術(shù), 2008, 393(6):1-4.