SMC材料發動機罩的多工況分析及優化研究

石紀軍，沈永旭，劉南南

[賽史品威奧(唐山)結構復合材料有限公司，河北 唐山 064099]

0 引言

發動機罩作為汽車重要的外觀件與功能件之一，在銷售過程中往往會受到顧客的重點關注，在汽車的車身結構設計中占有舉足輕重的地位。目前市場上在售車型的發動機罩多使用鍍鋅鋼板，利用焊接、粘接等工藝實現內板、外板的連接。同時在國家大力推進汽車節能減排的背景下，減重效果明顯的鋁合金發動機罩在近幾年出現頻次逐漸增多，例如寶馬3系、三菱歐藍德、別克君威、沃爾沃XC60等車型上均已投入使用。隨著汽車輕量化需求的進一步加深，近幾年輕量化效果更優的復合材料發動機罩受到各大主機廠、高校等研究結構的青睞，其中碳纖維發動機罩的關注度相對較高。但是隨著研究的深入，考慮到碳纖維材料相對較高的制作成本，部分行業人士亦逐漸將目光投向造價相對更低的長玻璃纖維和短切玻璃纖維復合材料上來。

SMC復合材料亦稱作片狀模塑料，是一種短切玻璃纖維熱固性復合材料，其產品經一次高溫模壓成型，具有原料成本低、生產率高、對環境污染小、強度高、耐高溫、尺寸穩定、成型工藝性能良好和壽命長等特點，已經在汽車工業中獲得了廣泛應用[1]。同時在模壓過程中，SMC材料具有良好的流動性，可根據需要實現單一產品的多種厚度尺寸分布，設計自由度大。本文以SMC復合材料為研究對象，對某款車型的發動機罩開展有限元分析，利用仿真手段對SMC發動機罩內板、外板實現多工況下的厚度尺寸優化設計。

1 發動機罩有限元模型創建

本文使用的前處理工具為Hyper Mesh，求解器為Optistruct，后處理工具為Hyper View。發動機罩長為1 546 mm，寬為1 123 mm。本次分析所用SMC復合材料主要參數信息：模量為11 000 MPa，拉伸強度為85 MPa，密度為1.92 g/cm3，泊松比取值0.35。發動機罩外板、內板厚度均采用3.0 mm，總重為17.64 kg。

1.1 建立Hyper Mesh有限元模型

采用10 mm單元尺寸劃分網格，分別定義材料和厚度屬性，定義部件間的連接單元，用剛性連接單元RBE2來模擬發動機罩部件之間的螺栓連接方式。創建好的發動機罩有限元模型如圖1所示。

圖1 發動機罩有限元模型

1.2 分析工況簡介

1.2.1 工況一：約束模態

約束發動機罩鎖鉤和鉸鏈安裝孔的平動和轉動自由度，要求一階共振頻率≥20 Hz。該工況旨在評估發動機罩在整車狀態下的振動特性[2]。

1.2.2 工況二：外板抗凹陷剛度

約束發動機罩鎖鉤和鉸鏈安裝孔的平動和轉動自由度，約束緩沖塊Z向平動自由度；利用直徑75 mm剛性圓盤在外板表面施加40 N靜載，要求外板局部最大變形<0.5 mm。該工況旨在評估發動機罩外板抵抗變形的能力。

為節省后續優化計算時間成本，已提前識別出外板剛度最弱位置，見圖2圓盤中所示位置。

圖2 外板抗凹陷有限元模型

1.2.3 工況三：扭轉剛度

約束發動機罩鉸鏈安裝孔的平動和轉動自由度，約束鎖鉤左側緩沖塊安裝孔Z向平動自由度；對模型施加Z向1倍重力場。要求右側緩沖塊安裝孔處的Z向變形<0.4 mm。該工況旨在評估發動機罩抵抗扭轉變形的能力。

1.2.4 工況四：側向剛度

約束發動機罩鎖鉤和鉸鏈安裝孔的平動和轉動自由度；在發動機罩左側邊緣的中間位置施加Y向180 N靜載。要求施力點Y向最大變形<0.35 mm。施力點具體位置如圖3所示。該工況旨在評估發動機罩抵抗側向受力變形的能力。

圖3 側向剛度有限元模型

2 有限元結果分析

2.1 約束模態分析

約束模態分析結果如圖4所示。SMC材料的一階共振頻率為52.9 Hz，振型為兩側局部彎曲。從分析結果可知，本次分析所用SMC發動機罩可以滿足模態要求。

圖4 一階模態結果云圖

2.2 外板抗凹陷分析

外板抗凹陷分析的目的是模擬人手按壓外板，如果外板剛度較差，則按壓后會導致外板局部變形過大，顧客感知度極差。發動機罩外板剛度最弱位置最大變形為0.176 mm，如圖5所示。分析結果可以得到，SMC發動機罩外板抗凹陷剛度滿足要求。

圖5 外板抗凹陷剛度結果云圖

2.3 扭轉剛度分析

發動機罩的扭轉剛度分析結果如圖6所示。從分析結果云圖上可以得出結論：SMC發動機罩緩沖塊安裝孔處的Z向最大變形為0.43 mm，不滿足扭轉剛度要求。

圖6 扭轉剛度結果云圖

圖7 側向剛度結果云圖

2.4 側向剛度分析

發動機罩的側向剛度分析結果如圖7所示。從分析結果云圖上可以得出結論：SMC發動機罩在Y向最大變形為0.35 mm，已處于評價指標臨界值，但仍可視為滿足性能要求。

各剛度分析結果見表1。發動機罩在約束模態、外板抗凹陷剛度、側向剛度性能上可以滿足仿真性能要求，且留有一定的性能余量，具備進一步優化的空間；而扭轉剛度不滿足性能要求，同樣需要進行結構優化。

表1 分析結果統計

3 多工況下的板厚尺寸優化

利用HyperStudy軟件開展多工況下的發動機罩厚度尺寸優化：以發動機罩總重量最輕為優化目標，一階共振頻率和各剛度工況下對應的變形值為約束條件，將發動機罩內板厚度劃分成不同的5個區域，將內板5個區域和外板的厚度作為設計變量開展優化。區域劃分細節如圖8所示。

圖8 厚度區域劃分

對不同的厚度區域，兼顧左右對稱原則開展厚度變量設計，即確定各區域厚度變化的上、下限值。厚度設計變量見表2。

表2 各區域厚度變量統計

依據以往SMC材質的產品設計經驗，對于發動機罩而言，SMC材質的內板厚度下限值推薦不低于2.5 mm；外板厚度下限值推薦不低于2.5 mm，本次優化將下限值取2.8 mm。

經過迭代優化，HyperStudy軟件會計算得到滿足要求的解，解的數量取決于約束條件和優化目標設定的難易程度，因此不一定是唯一的，可能有多組解滿足要求(圖9)。

圖9 求解迭代過程截圖

圖9中的白底黑色數據代表具有可行性，而黑底白色數據代表可接受，通常以得到黑底白色數據為最佳。從圖9中可知迭代步數從14到22，各項數字沒有變化，說明從第14步就已經迭代到穩定狀態，此時計算得出的解即為最優解。

各厚度變量與各工況的相關性如圖10所示。由圖10可看出：

(1)內板-基礎面區域的厚度與約束模態有明顯的線性相關性。

(2)外板區域的厚度與外板抗凹陷剛度有明顯的線性相關性。

(3)內板-主要安裝面區域的厚度與扭轉剛度有明顯的線性相關性。

(4)內板-基礎面區域的厚度與側向剛度有明顯的線性相關性。

(5)外板和內板-基礎面區域的厚度與發動機罩總重量有明顯的線性相關性。

圖10 厚度與性能的線性效應圖

了解各區域厚度尺寸與各工況的線性效應，可以為發動機罩的厚度分布提供數據參考。

通過對多組解進行挑選，識別出較為合理的一組解，對其數值進行修正，最終得到一組最優解，見表3。

表3 修正后的厚度值

通過對SMC發動機罩約束模態、外板抗凹陷、扭轉剛度和側向剛度的分析結果進行整理，可以得知：發動機罩在約束模態、外板抗凹陷剛度、扭轉剛度、側向剛度性能上可以滿足仿真性能要求。具體分析結果詳見表4。

表4 分析結果統計

4 結論

通過對SMC發動機罩劃分多個區域，對每個區域設定厚度變量上下限，以模態頻率和變形量為約束條件，以發動機罩總重量為優化目標開展多工況下的板厚尺寸分布優化，最終得到了一組滿足要求的最優解。通過對最優解進行驗證，發動機罩約束模態、外板抗凹陷、扭轉剛度、側向剛度均滿足性能要求，同時發動機罩總重量減少0.87 kg，減重4.9%。

綜上所述，在采用SMC復合材料進行發動機罩或其他產品開發時，可以利用成型過程中良好的流動性去合理設定厚度分布，在保證力學性能的前提下，實現更優的輕量化效果。