微型商用車發動機艙蓋的逆向設計

蔣汪萍++陳宇豪

摘 要：該文結合逆向工程和有限元兩種技術對微型商用車發動機艙蓋進行了分析。通過采用FARO激光測量儀進行前艙蓋數據掃描，在CATIA V5平臺下對獲取的點云數據進行曲面重構獲取其三維數模。在此基礎上，利用有限元分析軟件建立有限元模型，并根據實際工作條件對模型進行力和力矩加載，得到相應工況下的位移和應力圖。

關鍵詞：發動機艙蓋 逆向設計 曲面重構 有限元分析

中圖分類號：TH238 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（b）-0134-02

1 課題研究意義

發動機艙蓋作為車身重要部件之一，在車身設計過程中占據較大的比重。但形體復雜，自由曲面居多的外形結構很難用解析式表達，也不適合用CAD等制圖工具直接設計造型。逆向設計技術的采用可克服傳統艙蓋設計的不足，能夠快速重現先進車身的模型設計。同時逆向設計技術簡化了模型的創建難度，可提早預測汽車性能，有利于避免新車開發風險，提高了產品的可靠性。

逆向設計完成后，還需對其進行必要的有限元分析。CAE技術的應用能夠有效地改變設計思想和方法，提高設計能力和技術創新能力。利用有限元軟件對車身覆蓋件進行有限元分析，使其在滿足強度、剛度等前提下，達到預期設計目標。不但可以減少材料浪費，提高產品質量，更有利于提高車輛的性能。

2 微型商用車發動機艙蓋有限元模型的建立

文章將通過CATIA V5建立的前艙蓋數模導入ANSA軟件，進行有限元分析前處理。建立了正確的有限元模型后，然后對發動機艙蓋的彎曲剛度和扭轉剛度進行分析，從而得出發動機艙蓋的基本性能。

2.1 三維模型的構建

發動機艙蓋是轎車車身覆蓋件的關鍵總成，如圖1所示，不僅要牢靠地固定在車身上且保證可靠、順利地開關外，而且要滿足汽車的整車安全性和NVH性能，因此發動機艙蓋必須要有足夠的剛度。如果剛度不足，就會導致艙蓋局部變形較大而影響艙蓋的密封性。

文章運用非接觸式的Faro激光掃描儀獲取某微型商用車汽車前艙蓋點云數據的基礎上，對其用CATIA V5軟件進行逆向設計，完成了前艙蓋數字模型的建立，最終得到發動機艙蓋點云數據圖。

點云數據中存在的壞點極易導致該點及其周圍的曲面偏離原模型曲面，嚴重時會使擬合后的曲面發生干涉、翹曲等變形，甚至無法擬合曲面等。點云數據的預處理可以保證后續曲面重構環節的順利進行。

點云處理的最終目的是將點云轉變成曲面，通過使用創成式曲面設計模塊中的加厚曲面工具將艙蓋曲面加厚0.8 mm，完成曲面到數模的轉換。

2.2 幾何模型修復和抽中面

發動機艙蓋是典型的沖壓鈑金件，在對其劃分網格前，需要抽取中面，以有利于劃分網格和提高計算精度。中面抽取結束后，需要對中面進行幾何清理，這樣可以改善網格質量，提高分析效率。

2.3 有限元模型單元質量控制

單元的質量直接影響計算結果的準確性。對于四邊形單元，最主要的是注意檢查單元的翹曲程度。另一個影響模型質量的因素是偏斜度，反映了單元夾角的偏斜程度[3]。建模時，三角形單元數量對應力分布有較大影響，數目過多可能會出現應力集中等現象，所以要盡量多使用四邊形單元。

2.4 材料屬性和網格劃分

發動機前艙蓋由于其所處位置的特殊性，會不斷受到拉壓、彎曲和扭轉等變形。因此選取的有限元網格單元類型為殼單元，材料選取鋼材料。

網格質量的優劣直接影響分析結果的精確度，前艙蓋劃分網格時選取的單元長度為8 mm。整個有限元模型共有網格9 346個，包括四邊形網格9 136個，占比97.75%，三角形網格210個，占比2.25%。

3 艙蓋剛度分析

3.1 艙蓋剛度理論分析

剛度是反映載荷與變形之間的關系特征，發動機艙蓋應具有足夠的剛度，以防止艙蓋局部區域出現較大的變形，影響整車的正常使用[4]。發動機艙蓋剛度分析主要分為彎曲剛度分析和扭轉剛度分析，通過計算分析，得到車身的彎曲剛度及扭轉剛度值。

3.1.1 彎曲剛度

彎曲剛度是在研究對象上施加載荷，查看其抵抗彎曲變形的能力[4]。在計算彎曲剛度時，將艙蓋看作一個簡支梁，艙蓋的緩沖塊A、B約束X向（開啟方向）平動自由度，載荷F施加在艙蓋開啟鎖扣處，艙蓋在載荷F作用下發生彎曲變形。簡化后的彎曲剛度示意圖如2所示。

理論上，艙蓋彎曲剛度計算公式所下：

（1）

其中：為艙蓋彎曲剛度（N/mm）；F為加載的彎曲載荷（N）；為最大變形值（mm）。

3.1.2 扭轉剛度

扭轉剛度通過在研究對象上施加扭矩，考察其抵抗扭轉變形的能力，簡化后的扭轉剛度如圖3所示。

理論上，艙蓋扭轉剛度計算公式如式（2）和式（3）所示。

（2）

（3）

其中：為艙蓋扭轉剛度（Ngm/°）；θ為扭轉角（°）；T為扭轉轉矩（Ngm）；Lx為左側位移變化量（mm）；Rx為右側位移變化量（mm）；L為加載點兩點間距離（mm）。

3.2 彎曲剛度計算分析

3.2.1 建立剛性連接

對模型的完整性、零件PID及料厚、材料等進行檢查之后在相應部位進行剛性連接。建立剛性連接后，使用SPC約束命令在鉸鏈處建立全約束，此外在緩沖塊處約束沿前艙蓋X向平動自由度。建立好約束后，使用Node命令進行載荷施加，對鎖扣處施加X向200 N的力。在ANSA中建立彎曲工況，最終將文件保存為BDF文件，提交給NASTRAN計算。

3.2.2 彎曲剛度計算分析

計算完成后，NASTRAN會自動生成相應的文件，將生成的文件導入到后處理軟件HyperView中，通過設置Add即可得到艙蓋沿加載方向的最大位移值為15.729 mm。

跟據上述對彎曲剛度理論的介紹，發動機艙蓋的彎曲剛度計算結果如下：

=140.47 N/mm

最后輸出彎曲工況下的應力云圖，得到彎曲工況下的最大應力值為209.70 Mpa，由此可以判斷結構的薄弱部位，為以后的優化提供參考。

3.3 扭轉剛度計算分析

扭轉工況下，在兩個緩沖塊處施加大小相等、方向相反的力，使兩個力的力矩為62.6 N·m，力臂為兩個加載點的距離，即1 043.89 mm。經過計算得到所需施加的力的大小，在緩沖塊處施加X向60 N的力。

計算完成后，將NASTRAN生成的文件導入到后處理HyperView中，即可得到艙蓋沿加載方向的最大位移值-4.469 mm和4.476 mm。

得到加載點的最大位移后，通過扭轉剛度計算公式可以得出艙蓋的扭轉角和扭轉剛度如下：

=0.49°；

127.76 N·m/°

最后輸出應力云圖，最大應力是737.4 Mpa，小于材料的屈服應力，滿足設計要求。

該文利用NASTRAN和HyperWorks對艙蓋的彎曲剛度和扭轉剛度進行分析計算，得到位移圖和應力圖。逆向的車型的彎曲剛度和扭轉剛度比實際測量的數據偏小，建議可對內板結構加一些加強筋使其剛度與實際車型接近滿足剛度要求，三維建模的數據為以后的設計提供參考。

參考文獻

[1] 林成輝.基于逆向工程的車身設計應用研究[D].上海大學，2009.

[2] 李紅波.組合曲面逆向設計關鍵技術的研究[D].浙江大學，2004.

[3] 段月磊.轎車車身剛度有限元分析及優化[D].合肥工業大學，2010.

[4] 張世寶.某轎車車身CAE分析與設計改進[D].合肥工業大學，2013.