汽車發動機罩的輕量化設計

段錦程

汽車發動機罩的輕量化設計

段錦程

（重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054）

文章基于更換輕質材料（鋁合金），并結合多目標優化對發動機罩進行輕量化。對發動機罩的扭轉剛度、彎曲剛度、強度、模態、行人保護性能進行了分析。以剛強度及模態性能為約束，行人保護性能和發罩質量為目標，在Isight軟件中搭建多目標優化流程，經過NSGA-Ⅱ算法迭代優化得到最優解。結果表明：優化后的發罩相比原發動機罩，剛度性能與行人保護性能有小幅提升，質量減輕39.85%，達到了很好的輕量化效果。該方法可為發動機罩輕量化設計提供一定的參考。

發動機罩；輕量化；鋁合金；多目標優化；行人保護

引言

隨著全球汽車保有量的逐年增加，汽車交通事故數量不斷增長，能源緊缺和環境污染等問題的不斷涌現，新車型的設計需要滿足減排、低耗、安全等要求。這使得汽車的設計趨向于輕量化以及需要滿足更高的安全性等要求[1]。

在人車碰撞交通事故中，行人頭部與汽車發動機罩碰撞造成的頭部傷害是造成行人重傷和死亡的主要因素[2]。從行人保護的角度來講，發動機罩的剛度相對較小，有利于汽車對行人的保護。而發動機罩作為汽車大型覆蓋件和整體外觀的重要組成部分，則需要有足夠的剛強度性能。對于發罩的輕量化來說，在減輕其重量的同時，如何同時滿足發動機罩的各項性能要求，就顯得尤為重要。而多目標優化就是解決多目標之間的沖突使得多個目標都盡可能達到最優的一種優化方法。本文運用多目標優化，在考慮發動機罩的剛強度、模態性能的前提下，以發動機罩的行人保護性能及質量最輕作為優化目標，對發動機罩進行輕量化設計。

1 原發動機罩性能分析

發動機罩作為汽車前端重要的覆蓋件，同時也是汽車整體外觀重要組成部分，擔負著保護發動機艙零部件以及隔離噪聲等作用。所以發動機罩需要足夠的剛強度以及良好的模態性能。在人車碰撞交通事故中，行人頭部直接與發動機罩發生碰撞時，它的力學性能將直接關系到行人的生命安全。而發動機罩的輕量化，是在滿足發動機罩各項性能要求的前提下，最大程度的減輕發動機罩的重量。因此，在對發動機罩進行輕量化優化設計前需要對其各項性能進行分析。

1.1 發動機罩剛度分析

發動機罩的剛度是指其在載荷作用下抵抗變形的能力，發動機罩的剛度沒有統一的標準[3]。根據某車企的相關標準，發動機罩的剛度性能分析工況包括以下 2種：

扭轉工況：約束左右兩側鉸鏈所有的自由度，左側緩沖塊處約束軸平動自由度，在右側緩沖塊處施加軸負方向100 N的載荷。

彎曲工況：約束左右兩側鉸鏈所有的自由度，緩沖塊處約束向平動自由度，在鎖鉤處施加軸負方向100 N的載荷。

圖1 發動機罩剛度分析工況

如表 1 所示，發動機罩的彎、扭剛度接近剛度參考值，滿足相關設計要求。因此，后續分析發罩的剛度性能時，應主要考察這兩個剛度能否滿足設計要求。

表1 兩種工況下的發動機罩剛度

工況彎曲工況扭轉工況 加載/N100100 剛度計算值103.41 N/mm105.88 Nm/° 剛度參考值100 N/mm100 Nm/°

1.2 發動機罩的強度分析

發動機罩的強度是指其在載荷作用下抵抗破壞的能力[3]。發動機罩垂直沖擊工況在使用中較為常見，以此工況作分析具有代表意義。約束方式為：發動機罩鉸鏈部位約束所有自由度，緩沖塊處約束向平動自由度。加載方式為：沿軸負方向施加3的載荷。如圖2所示最大應力為131 MPa小于材料的屈服強度。

圖2 發動機罩垂直沖擊工況應力云圖

1.3 發動機罩的模態分析

模態是NVH聲振粗糙度性能的重要考察指標。發動機罩作為汽車前倉大型覆蓋件也需要滿足整車的模態性能要求。轎車在工作中，發動機罩主要受到來自地面、車輪和發動機的激勵。由路面產生的激勵多在3 Hz以下，因車輪不平衡導致的激勵頻率一般在11 Hz以下，而發動機的怠速頻率通常在20 Hz左右。所以發動機罩在設計過程中應主動避開上述敏感頻率以免產生共振[4]。本文以Optistruct作為求解器，對發動機罩有限元模型進行自由模分析，前6階模態頻率值如表2所示。

表2 發動機罩前6階模態頻率值

階數123456 頻率/Hz18.7143.5053.2666.2381.2183.84

1.4 發動機罩的行人保護性能分析

基于C-NCAP2018法規要求，對發動機罩劃分網格點，并正確設置行人保護碰撞工況，通過有限元仿真計算得到各點的HIC值。選取發動機罩上的5個打擊點如圖3所示，以其HIC平均值表征該發動機罩的行人保護性能。所選打擊點含義如表3所示。

圖3 頭碰打擊點

表3 打擊點所對應的發動機艙結構及HIC值

打擊點HIC含義 C_4_01052碰撞區域的中心位置 A_8_4712內板空洞的邊緣處 C_4_2822發動機上方空洞處 C_5_4952內板的兩根梁的交叉處 C_4_5945內板較短的梁處

綜上所述初始發動機罩的各項性能參數如表4所示。

表4 原發動機罩性能

彎曲剛度/（N/mm）扭轉剛度/（Nm/°）強度/MPa一階模態/Hz行人保護HIC平均值 103.41105.88131.24218.71896

2 輕量化材料的選擇

相比較于鋼材而言，鋁合金具有重量輕、強度高、成型性好、價格適中、回收率高等優勢，因此，采用鋁合金已經成為汽車輕量化設計的重要方法之一[5]。據研究表明[6]，由于發動機罩內板的結構比較復雜，6000系變形鋁合金是生產輕量化發動機罩的合適材料。本文將原鋼制發動機罩的內外板更換為6061鋁合金材料進行輕量化研究，鋁板和鋼板性能對比如表5。

表5 鋁合金6061材料性能

性能/材料密度/(g/cm3)彈性模量/MPa屈服強度/MPa泊松比 60612.771 0002140.33 IF 300-4007.85210 0002780.3

鋁合金發動機罩板厚度參考值。由于鋁合金和鋼材性能的不同，需要依據發動機罩的相關力學性能確定鋁合金板材的厚度，本文通過發動機罩強度和剛度性能要求計算鋁合金材料參考厚度。

等彎曲剛度：

等扭轉剛度：

等強度分析：

式中，鋁、鋼分別代表兩種材料的厚度；鋁、鋼分別代表兩種材料的彈性模量；鋁、鋼分別代表兩種材料的剪切模量；鋁、鋼分別代表兩種材料的屈服強度。

綜上分析，在保證材料替換前后發動機罩的強度和剛度性能相同的情況下，鋁制罩板厚度為鋼制罩板的1.45倍，因此發動機罩內外板鋼板料厚度分別為0.6 mm、0.7 mm，對應鋁制罩板厚度應為1.02 mm、0.87 mm。

3 發動機罩多目標優化

3.1 優化流程及方法

基于以上的理論分析，確定了鋁合金板厚的參考值。為了得到輕量化最優板厚組合，現選擇所有的板厚作為設計變量，以發動機罩剛強度及模態性能為約束，且以發動機罩質量最小及行人頭部傷害HIC平均值最小為優化目標。在Isight軟件中進行多目標優化分析，優化算法采用NSGA-Ⅱ，優化模型圖4所示。

圖4 多目標優化流程圖

3.2 優化結果分析

通過設定NSGA-Ⅱ個體總數為20，交叉率0.9，并經過241次遺傳算法迭代優化后得到Pareto最優解。優化后鋁合金內外板的厚度分別為1.0 mm、1.2 mm。

通過表6的優化前后發動機性能對比可知，優化后發罩的質量為10.07 kg，相較于原發罩質量減輕了39.85%，同時一階模態性能也有了大幅的提升，其他的性能也都符合發動機罩性能要求，并伴有小幅度提升。因此，從總體看來，優化后的發動機罩達到了較好的輕量化效果。

表6 優化前后發動機罩性能對比

發罩性能指標優化前優化后優化百分比 彎曲剛度103.41 N/mm105.52 N/mm2.04% 扭轉剛度105.88 Nm/°109.34 Nm/°3.26% 一階模態頻率18.71 Hz23.99 Hz28.22% 發罩質量16.74 kg10.07 kg?39.85% HIC平均值896843?6%

4 結論

通過分析原發動機罩的剛強度模態以及行人保護性能，將發動機罩內外板材料更換為輕質的鋁合金，并采用多目標優化的方法，以發罩各零件厚度為設計變量，以發動機罩的剛強度模態等性能為約束，優化后發動機罩各項性能都滿足發罩性能要求，其中一階模態性能得到了大幅的提升，發罩總成質量降低了39.85%，使得發動機罩得到了較好的輕量化效果。

[1] 謝晨.車身結構隱式參數化建模及其在輕量化設計中的應用研究[D].長春:吉林大學,2014.

[2] 吳錦妍,史國宏,章斯亮.基于頭碰與結構性能的發動機罩正向優 化設計[J].上海汽車,2019(05):10-16.

[3] 曾小敏.基于行人頭部保護和剛度要求的發動機罩內板優化設計[D].上海:上海交通大學,2014.

[4] 陳立娜.基于行人頭部保護的汽車發動機罩輕量化設計方法研究[D].長沙:湖南大學,2013.

[5] 范體強,王鋒,金慶生.鋁合金發動機罩蓋內板結構優化設計研究[J].客車技術與研究,2014,36(04):10-13.

[6] 張屹林,王洪民,王海濤,等.汽車輕量化與鋁合金[J].內燃機配件, 2004(05):37-40.

Lightweight Design of Automobile Engine Hood

DUAN Jincheng

( Key Laboratory of the Ministry of Education of Advanced Manufacturing Technology of Automobile Parts,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054 )

The paper is based on replacing lightweight material (aluminum alloy) and combined with multi-objective optimization. The torsional stiffness, bending stiffness, strength, mode and pedestrian protection performance are analyzed. With stiffness strength and modal performance as the constraint, pedestrian protection performance and hood quality as the goal, a multi-objective optimization process is built in Isight software, and the optimal solution is obtained through iterative optimization of the NSGA-Ⅱalgorithm. The results show that compared with the original hood, the optimized hood was slightly improved with pedestrian protection performance, and the quality was reduced by 39.85%, which achieved a good lightweight effect. The method can provide some reference for lightweight design of engine hood.

Engine hood; Lightweight; Aluminium alloy; Multi objective optimization; Pedestrian protection

A

1671-7988(2021)22-68-04

U463.8

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1671-7988(2021)22-68-04

CLC NO.: U463.8

段錦程，就讀于重慶理工大學，研究方向：汽車碰撞安全。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.017