基于仿真的汽車引擎蓋強度耐久系統分析

周星棟，王振

（上汽大眾汽車有限公司產品研發車身研發部，上海 201805）

通過有限元方法分析某一款車型引擎蓋關閉系統的動力學過程，模擬預測引擎蓋在整個落鎖過程中的應力分布，利用疲勞算法計算疲勞損傷值，提出方案解決局部開裂問題，通過試驗驗證模型及方案的準確有效，建立一種評價引擎蓋疲勞的新方法。

引擎蓋；有限元仿真；疲勞計算；應力分析

0 引言

引擎蓋是汽車車身結構中最為重要的零件之一，也是新車型設計開發修改最為頻繁的零件之一。引擎蓋的設計不僅需要考慮到造型的美觀，更要兼顧結構剛度、強度、低振動噪聲以及行人保護的法規要求，除此之外還要滿足工藝可行、輕量化的目標。因此，由于某些輕量化、行人保護能量吸收等結構設計的原因，在引擎蓋的疲勞試驗中，往往會出現局部應力集中的現象，并且最終導致鈑金開裂或者無法鎖止的情況發生。

為了解決此類問題，減小因模具修改帶來的制造成本和試驗成本，在設計之初或者在尋找問題解決方案過程中就需要引入檢驗鈑金應力集中的方法和模式。而通過有效的有限元模型分析模擬引擎蓋開啟關閉的動力學仿真模型，可以有效地預測風險或者優化開裂解決方案。

本文通過建立引擎蓋系統的一整套有限元模型，包括鈑金系統、附件緩沖系統、鎖系統，利用有限元求解器求解某車型引擎蓋關閉落鎖過程的瞬態響應，利用應力結果進行疲勞分析，提出改進方案，最終通過試驗驗證模型和方案的有效，形成了一整套的應力強度和疲勞分析分析解決方法。

1 有限元模型以及分析類型

1.1 引擎蓋模型

以某一款車型的引擎蓋作為模型輸入。引擎蓋的鈑金通過殼單元建立，鈑金之間的膠水連接方式使用實體共節點的方式，焊點使用Abaqus Fastern 方式連接。（圖1）膠水問題共節點處理相比多點約束方式可以防止由于膠水彈性模量過小引起的變形過大問題。鈑金結構單元全部采用減縮積分單元[1]，保證準確的同時減少計算時間，同時不考慮非線性材料而是在后期結果處理通過Neuber-hyperba[2]等效轉換實現。

圖1 引擎蓋有限元模型

1.2 緩沖塊、密封條單元以及材料參數

作為緩沖元件的緩沖塊以及密封條屬于橡膠材料，采用HyperElasticPolynomial 通過能量法Mooney-Rivlin 模型[3]方法擬合。不可壓縮橡膠材料的Mooney-Rivilin 模型為[3]：

式（1）中，W 為橡膠材料應變能密度函數，C1與C2為力學性能常數，用來擬合材料拉伸試驗等的參數。該模型能很好的描述變形小于150%的橡膠材料力學性能。確定C1和C2的具體方法根據試驗測出。不同λ主伸長比下的主應力t1，以為1/λ橫坐標縱坐標，以為縱坐標，把試驗點繪在坐標系中，并把試驗點回歸成一直線，C1即為這條直線的截距，C2即為這條直線的斜率。如下圖2 所示，Mooney-Rivlin 曲線擬合緩沖塊橡膠材料EPDM，基本吻合試驗測試數據。

圖2 利用Mooney-Rivlin擬合單軸拉伸曲線與試驗的對比

密封條的網格截面采用雙層網格大小為1-1.5mm，掃掠長度方向大小為3mm。緩沖塊網格單元大小為1.5mm，單元格式為減縮積分單元，為防止剪切自鎖，網格層數可以增多（圖3）。

圖3 密封條和緩沖塊網格

1.3 鎖系統的多體運動學機構

鎖系統是引擎蓋整個關閉模型的主要組成部分，由于鎖內部有許多的零件構成的機構，因此這一部分建模屬于多體運動機構建模（圖4）。采用CONN3D2單元類型模擬鎖內的彈簧，HINGE 類別，對于彈簧剛度使用材料控制，初始預緊力加載。由于鎖內部的鎖舌等部件在機構運動中需要接觸，因此此部分在模型中采用通用接觸。

圖4 鎖模型示意

其中1、2、3、4、5、6 分別為鎖系統結構零件Joint_1、2、3、4 為鎖內彈簧。

1.4 求解類型選擇

對于多接觸沖擊問題這里使用顯示動力學[4]求解類型，即為瞬態顯示算法，計算時間設為0.1s。

顯示算法使用中心差分迭代[4]方法如下：

顯示差分方法的關鍵位置在確定第一步步長：

式（4）中MNJ為質量矩陣，P 是外部作用力，I 是內部作用力。顯示算法不需要總體剛度矩陣計算，允許在某些不影響結果的單元進行質量縮放，以減少計算時間。在此我們并不進行質量縮放，但對極限小的單元進行修正（考慮提高最小單元長度Lmin）。單元與單元的穩定時間步長計算公式：

式（5）中cd為擴散波速率。

從式（5）可以看出穩定時間步長極限，不僅僅與最小單元長度有關。對于線彈性材料：

從式（6）可以看出材料的特性會影響波速，對于非線性材料，隨著材料的屈服，剛度會變小，導致波速減小，穩定極限之會隨之增大。

圖5 總能量變化曲線

2 結果輸出分析

2.1 顯示結果合理性分析

顯示計算的結果因為是上一步結果的遞推結果，一旦超過穩定極限步長就會變得與實際變形方式不一致，也就是失真。因此需要比較計算過程中總體能量的變化，控制在變化率不超過5%，另外應變能與內能的比值小于10%。圖5 為模型內能總能量以及應變能。計算結果總能量變化在2%以內，可以認為模型結果準確。

2.2 引擎蓋內板應力分布

引擎蓋關閉試驗開裂部分情況如下（3750 次循環之后）在內板表面發現裂紋。引擎蓋作為內外鈑金的總成零件，關閉落鎖過程中，主要受到鎖和緩沖系統的沖擊力，其中鎖占了絕大部分。從圖6 看出，裂紋發生在引擎蓋鎖扣安裝面圓角位置。

圖6 試驗結果開裂區域

對比模擬結果應力分布如圖7。可以看出應力集中的位置即是引擎蓋鎖扣安裝面圓角過度位置，初步的原因分析是此處局部結構過度太急，剛度不夠，導致應力集中。

3 疲勞分析

瞬態動力學模擬的結果，包含了在關閉時間內的應力變化歷程，對于這些時刻的應力，把它作為疲勞分析的應力輸入。這里采用Miner Elementary[6]方法修正S-N 曲線，同時利用雨流技術[7]對瞬態應力進行統計學計數如圖8 所示。

圖7 應力分布

圖8 雨流技術

A：節點應力瞬態幅值M：平均應力n：雨流技術幅值統計數量

雨流技術采用Unfavorable Sequence[8]處理，即考慮應力疊加最苛刻的順序，這樣疲勞分析模擬結果更為保險。

圖9 應力序列方法

對于彈性材料利用Neuber-Hyperbola 方法通過應變能[9]等效方法影射到塑形材料。Neuber-Hyperbola方法原理就是在知曉材料塑性材料的基礎上，將不考慮塑性的彈性體應變能等效為同等非線性材料的應變能，這樣將非線性放在了計算求解之后，作為應力整理過程的處理，可以大大的減少計算時間，避免由于引入非線性材料導致的問題。

圖10 Neuber-Hyperbola方法

4 方案及模擬結果分析對比

鎖加強版在右側圓角位置沒有與鈑金的鈑金加強面，并且此處的內板圓角過小，在落鎖的過程中導致此處的變形過大，進而導致應力集中（圖11）。顯而易見，需要在這個位置對內板進行加強，將鎖加強板延出，并與內板通過膠水連接，同時放大內板此處的圓角避免局部造型變化劇烈導致的應力集中。優化的方案如圖12 所示，對于開裂的位置進行加強版的補強，同時對于圓角進行適當的擴大，在考慮到無法進行焊點連接，設計為膠水連接方式。

圖11 結構及變形分析

圖12 方案措施

方案和基礎模型的應力分布對比，方案狀態明顯應力等級降了一個水平，修補的鎖加強板起到了加強剛度的作用（圖13）。

圖13 應力對比

在此基礎上，將應力結果輸入到疲勞分析瞬態結果計算中可以得到疲勞分析結果，5000 次循環后的損傷系數為如圖14 所示，基礎狀態下損傷系數[10]為2.1遠大于1，存在開裂風險，這也與試驗結果一致，而優化方案此處損傷系數為0.1，應該能保證避免此處避免開裂的風險，接下來，需要通過試驗驗證結果。

圖14 疲勞損傷值對比

5 試驗驗證

方案措施在5000 次引擎蓋關閉試驗中的結果圖15，試驗檢測沒有出現裂紋，因此方案是有效的，整個制造試驗流程也得到了可行性確認。

圖15 方案試驗結果

6 結語

汽車引擎蓋在開啟與關閉落鎖的過程中需要承擔相應的強度、疲勞要求，并結合工藝要求保障結構的優化設計以減少不必要的開發費用，因此需要一種結合分析與試驗的方法評價設計結構。

本文通過分析某車型在預生產階段出現的開裂問題，充分利用模擬計算方法分析引擎蓋的結構缺陷，在生產工藝允許的范圍內快速找出改進措施，并通過計算手段驗證了方案應力水平以及疲勞極限上的可行性，在短時間通過試驗驗證了解決方案，形成了一整套的試驗-計算檢驗方法。此分析方法及其建模方式可以作為新車型的引擎蓋強度疲勞風險的標準化評估手段。