CAE分析在汽車引擎蓋結構設計中的應用

撰文/鄭州日產汽車有限公司技術中心 湯　堯 蘭天亮 王少偉

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CAE分析在汽車引擎蓋結構設計中的應用

撰文/鄭州日產汽車有限公司技術中心 湯堯 蘭天亮 王少偉

本文詳細地介紹了汽車引擎蓋在結構設計階段所需要的相關CAE分析，對汽車引擎蓋的結構設計方案給出了量化的評價依據。通過CAE分析，不但可以有效地縮短其產品設計周期，降低其設計開發及試驗驗證的相關費用，還可以為產品的結構改進和性能優化提供方向指導。

一、引言

汽車引擎蓋是汽車前端模塊中較為重要的組成部分，其作用不僅僅是保護發動機，還有著被動保護行人安全的作用。隨著CAE和計算機技術的快速發展，越來越多復雜的非線性問題都可以通過CAE軟件來模擬分析，使設計者可以客觀地評價設計結果，為已設計產品的結構優化指出改善方向。

本文以CAE在某車型引擎蓋結構設計中的具體分析為例，簡述CAE在汽車引擎蓋結構設計中的具體應用。

二、CAE分析在汽車引擎蓋結構設計中的應用

本文利用Hyperworks軟件對引擎蓋總成采用殼單元進行網格劃分，可得157000個單元。在安裝螺栓孔位置和焊點處作RBE2 SPIDER連接，內外板粘膠處作一層solidmap實體單元。引擎蓋的有限元分析模型如圖1所示。

1.引擎蓋安裝變形分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動自由度和X、Z向的轉動自由度。在引擎蓋前端緩沖塊安裝孔處限制X、Y、Z向移動自由度和X、Y、Z向的轉動自由度。

圖1　引擎蓋的有限元分析模型

加載：在引擎蓋鎖插銷處施加222N的力，并對引擎蓋總成施加重力載荷。約束和加載模型如圖2所示。

圖2　引擎蓋安裝變形分析約束和加載模型

（2）分析結果。

通過計算可知引擎蓋總成的安裝最大變形量為0.74mm，滿足設計要求（最大變形量＜3mm）。分析云圖如圖3所示。

圖3　引擎蓋安裝變形分析云圖

2.引擎蓋邊緣變形分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動自由度和X、Z向的轉動自由度。在引擎蓋前端緩沖塊安裝孔處限制X、Y、Z向移動自由度和X、Y、Z向的轉動自由度。

加載：分別在side beam和rear beam上施加222N的力，并施加重力載荷。約束和加載模型如圖4所示。

圖4　引擎蓋邊緣變形分析約束和載荷模型

（2）分析結果。

通過計算可知，在第一種工況下引擎蓋邊緣的最大位移量為1.21mm，在第二種工況下引擎蓋邊緣的最大位移量為0.25mm，滿足設計要求（最大位移量＜10mm）。分析云圖如圖5所示。

圖5　引擎蓋邊緣變形分析云圖

3.引擎蓋下拉變形分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動自由度和X、Z向的轉動自由度。在引擎蓋中部緩沖塊安裝孔處限制X、Y、Z向移動自由度和X、Y、Z向的轉動自由度。

加載：在引擎蓋鎖插銷處施加222N的力，并對引擎蓋總成施加重力載荷。約束和加載模型如圖6所示。

（2）分析結果。

通過計算可知，最大應力約為152MPa，不會產生永久變形，滿足設計要求。分析云圖如圖7所示。

圖7　引擎蓋下拉變形分析云圖

4.引擎蓋扭轉剛度分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動自由度和X、Z向的轉動自由度。在引擎蓋右前緩沖塊安裝孔處限制X、Y、Z向移動自由度和X、Y、Z向的轉動自由度。

加載：在引擎蓋左前緩沖塊安裝孔處的Z向施加180N的力，并對引擎蓋總成施加重力載荷。約束和加載模型如圖8所示。

圖8　引擎蓋扭轉剛度分析約束和載荷模型

（2）分析結果。

通過計算可知，Z向的最大位移約為10.63mm，引擎蓋x向力臂長490mm，故計算出扭轉角θ=arctg（dz/x）=1.24°，而加載點的扭矩為180N×0.49m=88.2Nm，故扭轉剛度為88.2/1.24=71Nm/deg。分析云圖如圖9所示。

圖9　引擎蓋扭轉剛度分析云圖

5.引擎蓋沖擊分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動自由度和X、Z向的轉動自由度。在引擎蓋前端緩沖塊安裝孔處限制X、Y、Z向移動自由度和X、Y、Z向的轉動自由度。

加載：對引擎蓋總成施加4倍的重力加速度。約束和加載模型如圖10所示。

圖10　引擎蓋沖擊分析約束和載荷模型

（2）分析結果。

通過計算可知，在4倍的重力加速度作用下，引擎蓋總成的最大位移為5.804mm，滿足設計要求（最大位移量＜10mm）。分析云圖如圖11所示。

圖11　引擎蓋沖擊分析云圖

6.引擎蓋手掌壓痕分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動自由度和X、Z向的轉動自由度。在引擎蓋鎖扣處限制X、Y、Z向移動自由度和X、Z向的轉動自由度。

加載：對引擎蓋總成的中間100×100mm的區域上施加450N的力。約束和加載模型如圖12所示。

圖12　引擎蓋手掌壓痕分析約束和載荷模型

（2）分析結果。

通過計算可知，手掌附近區域最大MISES應力為94.5MPa，滿足設計要求（最大MISES應力＜180MPa）。分析云圖如圖13所示。

7.引擎蓋凹陷剛度分析

（1）約束和加載。

約束：在鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，限制X、Y、Z向移動自由度和X、Z向的轉動自由度。在引擎蓋鎖扣處限制X、Y、Z向移動自由度和X、Y、Z向的轉動自由度。

加載：對引擎蓋總成的后端75×75mm的區域上施加90N的力。約束和加載模型如圖14所示。

圖13　引擎蓋手掌壓痕分析云圖

圖14　引擎蓋凹陷剛度分析約束和載荷模型

（2）分析結果。

通過計算可知，引擎蓋最大位移量為0.0824mm，滿足設計要求（最大位移量＜6.35mm）。分析云圖如圖15所示。

圖15　引擎蓋凹陷剛度分析云圖

8.結論

根據以上分析可知，CAE對引擎蓋所作的相關分析，均滿足設計要求。

四、結語

本文對引擎蓋結構設計中需要作的CAE分析項目作了詳細說明，為引擎蓋結構設計方案驗證提供了一種很好的方法。通過所述項目的CAE分析，可以避免其在結構設計階段方案驗證不足造成后期試裝、評價時問題再現所產生的應對周期長、費用高等問題，為其結構改進和優化提供量化的依據。