發動機罩烘烤變形機理研究及預測模型

中圖分類號：TQ639；U466 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250221

Research on Deformation Mechanism and Prediction Modelof Engine Hoods during Baking

Jiang Chaofu，Sun Yake，Xie Feng， Zheng Qingshu，Li Huichun，Li Jizheng （Chongqing Chang'an Automobile Co.，Ltd.， Chongqing 400000）

Abstract：To effectively predict and control the deformation of automobileengine hoods during the coating baking process，a combined approachof theoretical analysisand simulation modeling isemployed to investigate the mechanismsandfailuremodesof enginehood baking deformation.Mechanical modelsbased on2typesof failure modes—instantaneous instabilityand energyrebalancing—under thermo-mechanical coupling efectsareestablished， and a deformation predictionmethod is proposed.Theresultsindicate that therelative displacementcaused by the diffrence in thermal expansion between theinnerandouter panels，which islocked byadhesive curing，is themain cause of deformation.Thedeveloped simulation modelachievesa prediction accuracy of86.9% in critical areas of the engine hood，enablingquantitative evaluationand optimizationguidance fortheengine hood’sresistance to baking deformation during the design phase.

Keywords：Hood，BakedDeformation，PredictionModel

1前言

發動機罩烘烤變形是汽車制造過程中長期存在的技術難題，該問題會導致發動機罩外板型面凹陷、發動機罩與周邊零部件的匹配間隙與面差不均等，嚴重影響整車外觀品質1]。針對發動機罩烘烤變形問題，工程師通常從工程實踐經驗出發，總結排查與解決方法[2-4]。然而，目前對發動機罩烘烤變形基本原理的研究較少，尚未建立系統的理論模型。

本文基于大量發動機罩烘烤變形問題的整改實踐經驗，嘗試從力學原理出發，探索發動機罩烘烤變形的基本規律，并以此為基礎構建其預測模型，旨在為發動機罩抗烘烤變形性能的早期評估與結構優化提供理論依據與設計參考。

2發動機罩烘烤變形的力學模型

2.1 發動機罩的基本結構

汽車發動機罩通常分為外板和內板兩大分總成。內板分總成一般還包括鎖鉤安裝加強件、鉸鏈安裝加強件等功能性加強件。為便于分析，本文將發動機罩系統簡化為發動機罩外板和發動機罩內板，兩者通過包邊區連接。

2.1.1發動機罩內、外板基本結構

根據在力學模型中的作用差異，將發動機罩外板劃分為包邊區和造型面。包邊區實現外板與內板間的力傳遞，造型面則實現外板內部的應力傳遞。同理，將發動機罩內板劃分為包邊區和結構面，包邊區用于內、外板間的力傳遞，結構面實現內板內部的應力傳遞，如圖1所示。

圖1發動機罩內、外板基本結構示意

2.1.2發動機罩內、外板連接結構

發動機罩制造工藝表明，外板與內板之間的連接通常結合了2種方式：一是在包邊區通過扣合或滾壓工藝形成的過盈配合；二是在包邊區通過粘接劑進行粘接。

2.1.3 發動機罩系統的力學模型

為直觀表達發動機罩系統的受力情況，將三維發動機罩系統抽象為二維力學模型，如圖2所示。其中，接觸區域表示發動機罩外板與發動機罩內板的包邊區，懸空區域表示發動機罩外板的造型面以及發動機罩內板的結構面。

圖2發動機罩系統二維力學模型示意

2.2發動機罩烘烤過程受力分析

2.2.1升溫階段發動機罩系統受力分析

在升溫階段，材料熱脹冷縮的特性導致發動機罩外板與內板中產生了熱膨脹應力。由于發動機罩外板相對發動機罩內板位于車身外側，更易接受烘爐熱輻射，且發動機罩內板一側的總熱容量顯著大于外板，因此，在升溫階段發動機罩外板的升溫速率高于發動機罩內板。

同一時刻，發動機罩外板溫度高于發動機罩內板，其自由熱膨脹量更大。若發動機罩外板與內板間的連接約束較強，則發動機罩外板受連接約束無法完全自由膨脹，超出發動機罩內板的自由熱膨脹量將轉化為外板內部的熱膨脹應力 σ 。若連接約束較弱，則發動機罩外板可能突破連接約束實現自由膨脹，即發生外板與內板之間的錯動。

發動機罩外板與發動機罩內板的連接約束強度由包邊區過盈配合所產生的最大靜摩擦應力 f 與粘接劑剪切強度 τ 疊加構成，該階段發動機罩系統受力模型如圖3所示。

圖3發動機罩升溫階段受力模型示意

發動機罩外板中的熱膨脹應力 σ 取決于同一時刻外板與內板的溫差，其計算如下：

σ=αEΔT

式中： α 為材料的熱膨脹系數， E 為材料的彈性模量， ΔT 為同一時刻下外板與內板的溫差。

包邊區的最大靜摩擦應力 f 取決于過盈配合所產生的正壓力 N 、界面摩擦因數 ?μ 以及發動機罩外板與發動機罩內板包邊區接觸面積A，其計算如下：

發動機罩外板與發動機罩內板包邊區粘接劑的剪切強度 τ 隨溫度變化的曲線可在實驗室測得。

若在升溫階段外板與內板未發生錯動，則外板中積蓄的能量無法通過錯動釋放。若熱膨脹應力 σ 始終處于材料可承受范圍內，則不會造成破壞性變形；當 σ 超過容許極限，能量將在外板結構薄弱處瞬間釋放，導致局部型面發生變形。

2.2.2保溫階段發動機罩系統受力分析

在保溫階段，發動機罩外板與內板的溫度逐漸趨于一致，兩者的熱膨脹量差異減小，外板中的熱膨脹應力 σ 逐漸趨近于零。與此同時，包邊區粘接劑持續固化[5-，其剪切強度 τ 不斷提高，直至完全固化后達到最大連接強度。

若粘接劑在固化過程中發動機罩外板與內板間仍存在局部錯動，則該錯動量將被固化后的粘接劑鎖定，并成為永久變形保留于發動機罩總成中。

2.2.3降溫階段發動機罩系統受力分析

在降溫階段，發動機罩外板與發動機罩內板均因溫度下降而發生收縮。由于發動機罩外板相對發動機罩內板處于車身外側，散熱條件更優，且發動機罩內板的熱容量顯著大于發動機罩外板，因此，發動機罩外板冷卻速率高于發動機罩內板。同一時刻下，外板的溫度低于內板，其自由收縮量更大。

此時，包邊區粘接劑已完全固化，剪切強度 τ 達到最大值，外板與內板形成強約束連接。外板受此約束無法自由收縮，其超出內板的收縮量轉化為外板內部的收縮應力 σ^′ ，并通過包邊區傳遞至內板。該階段受力模型如圖4所示。

圖4發動機罩降溫階段受力模型

若整個烘烤過程中未發生錯動，隨著溫度恢復一致，外板收縮應力 σ^′ 逐漸降為零，發動機罩系統恢復初始狀態，不發生變形。

若粘接劑固化鎖定了部分錯動量，即使冷卻至室溫，外板中仍存在殘余收縮應力 σ^′ 。該應力將牽引內板向上翹曲，直至系統達到新的力學平衡，導致發動機罩局部輪廓偏離初始狀態，即發生烘烤變形，如圖5所示。

圖5發動機罩局部輪廓偏移原理示意

2.2.4發動機罩烘烤變形的基本失效模式

根據發動機罩烘烤過程的受力分析，其烘烤變形存在2種基本失效模式：一是升溫階段發動機罩外板發生的瞬時失穩；二是降溫階段整個發動機罩系統發生的能量再平衡，如圖6所示。

圖6發動機罩烘烤變形兩種基本失效模式示意

對于瞬時失穩模式，本文重點關注系統失穩的臨界條件，以避免此類失效。而對能量再平衡模式，需獲取具體的輪廓偏移數據，以支持結構設計的優化。以下將分別針對2種失效模式建立預測模型。

3發動機罩烘烤變形的預測模型

3.1瞬時失穩失效模式預測模型

初步推斷瞬時失穩失效模式的原因為烘烤所產生的熱膨脹應力 σ 超過了發動機罩外板的材料屈服強度，導致局部發生塑性變形。然而，工程實際中的測試數據顯示，外板中的最大熱膨脹應力 σ_max 遠低于材料屈服強度，卻依然出現此類失效變形。

某項目實車測定顯示，整個升溫階段發動機罩外板與發動機罩內板的最大溫差為 15^°C ，該車型烘烤曲線如圖7所示。該車型發動機罩外板材料為 HC180BD+Z ，其熱膨脹系數 α 取值為 1.28×10^-5°C^-1 ，彈性模量 E 取值 2.06×10⁵MPa ，由此可得，發動機罩外板中的最大熱膨脹應力σ_max=39.6MPa （本測算彈性模量 E 取室溫值，高溫下彈性模量 E 會降低，最大熱膨脹應力會更小），遠低于發動機罩外板材料的屈服強度 212MPa ，但外板仍發生了局部型面凹陷。上述結果表明，此類失效無法僅憑經典材料屈服理論予以解釋。

圖7某車型烘烤曲線

分析發現，發動機罩外板沿型面切向的尺寸遠大于法向尺寸。對于此類長徑比極大的構件，其失效模式更符合壓桿失穩理論。

壓桿失穩是指細長構件在軸向壓力作用下，當壓力超過其臨界承載能力時，不僅發生軸向壓縮變形，還會產生橫向彎曲變形，從而導致構件在遠低于材料屈服強度的壓力下失穩破壞。壓桿失穩的理論模型如圖8所示，其臨界載荷為：

F_p=σA

式中： I 為零件的最小截面慣性矩； L 為零件的長度； β 為壓桿長度等效系數，與零件的約束狀態相關； F_p 為零件承受的軸向壓力； F_cr 為零件失穩臨界載荷。

圖8壓桿失穩理論示意

根據壓桿失穩理論，發動機罩外板失穩的條件為：

F_pgt;F_cr

即

經推導可得：

發動機罩外板作為型面復雜的薄板構件，其失效模式雖與壓桿失穩理論近似，但若將其等效為理想壓桿，將導致評估結果嚴重偏離實際。

通過式（7）～式（9）推導分析發現，對于材質相同且結構相近的發動機罩系統，式（9）右側部分可近似視為常數。

具體而言：熱膨脹系數 α 是材料特征屬性，對同種材質為固定值； ΔT 主要取決于烘烤工藝，汽車行業普遍采用的電泳烘烤工藝差異較小，故可近似為常數；壓桿長度系數 β 取決于發動機罩外板的約束狀態，對于結構類似的發動機罩系統， β 值可視為常數。

式（9）左側部分與發動機罩外板造型特征、發動機罩外輪廓尺度相關。通過分析歷史車型中該參數與失穩變形情況的相關性，可初步確定用于評估瞬時失穩風險的經驗閾值，為發動機罩設計階段提供風險評估依據。例如，通過對傳統鋼制發動機罩相關歷史數據分析，本研究可認為 I/（AL²） 值超過 6×10^-5 時，發動機罩系統不會發生發動機罩外板瞬時失穩變形。發動機罩外板瞬時失穩變形與 I/（AL²） 值相關性歷史數據如表1所示。

3.2能量再平衡失效模式預測模型

受工藝水平及制造過程波動的影響，發動機罩包邊區不可避免地存在局部間隙，因此，能量再平衡失效模式在實際工程中難以避免。本文通過估計發動機罩系統的最大輪廓偏移量，評估實車狀態下可能發生的輪廓偏移量是否處于可接受范圍。

首先，采用傳統的建模方法構建發動機罩烘烤變形的仿真模型，將生產線的烘烤溫度曲線轉化為溫度場載荷施加于仿真模型，求解得到發動機罩系統的烘烤變形分布。

仿真結果顯示，該模型計算所得到的發動機罩系統最大烘烤變形量僅 0.2mm ，如表2所示。

表2某車型發動機罩烘烤變形仿真變形量

該仿真模型得到的發動機罩烘烤變形量云圖如圖9所示。

圖9某車型發動機罩烘烤變形仿真變形量分布

此外，通過對比某車型采用的雙組分折邊膠 ⁺ 預固化工藝方案（在烘烤初始階段實現發動機罩外板與內板的強連接約束）與單組分折邊膠工藝方案（在烘烤初始階段為弱連接約束）的效果發現，前者最大烘烤變形量為 0.39mm ，顯著低于后者（ 2.95mm ），2種工藝的變形量分布對比如圖10所示。

圖10單組分與雙組分折邊膠烘烤變形量對比 仿真結果與實車驗證均表明，能量再平衡失效

模式的核心驅動因素是烘烤過程中粘接劑固化鎖定的發動機罩外板與內板之間的錯動量。傳統的烘烤仿真模型難以有效預測此類失效模式導致的變形。

基于能量再平衡失效模式的力學機理，本文從能量守恒角度構建預測模型。假設降溫至室溫后發動機罩內板完全恢復初始狀態，此時由粘接劑固化錯動所導致的彈性勢能完全儲存于發動機罩外板中，將該假想狀態下的彈性勢能記為 E₀ 。

在此狀態下，發動機罩外板中的殘余收縮應力將拉動發動機罩內板做功，使其偏離初始位置，并將一部分彈性勢能傳遞給發動機罩內板，直至系統達到新的力學平衡。記新平衡狀態下發動機罩外板剩余彈性勢能為 E_ex ，傳遞給內板的彈性勢能為 E_in 。根據能量守恒關系可得：

E₀=E_ex+E_in

E_ex=E_in

式中： s 為相應微元在能量再平衡過程中的位移，即該微元的變形量。

E₀ 取決于粘接劑固化鎖定的發動機罩外板與發動機罩內板的錯動量，該錯動量與發生錯動時發動機罩外板中的熱膨脹應力相關：

E₀=f（σ）

由式（10）～式（13）可得：

至此，獲得了發動機罩輪廓變形量 S 與錯動發生時熱膨脹應力 σ 的函數關系。

基于該函數關系，本文構建了評估發動機罩輪廓變形的仿真模型。將錯動發生時外板中的熱膨脹應力作為載荷施加于發動機罩系統，以求解輪廓偏移量，該模型如圖11所示。

圖11某車型發動機罩烘烤變形仿真模型示意

然而，隨著發動機罩外板中殘余收縮應力拉動發動機罩內板做功并導致系統輪廓發生偏移，應力的方向和大小均處于動態變化過程中。因此，基于上述模型的求解結果仍與實際情況存在較大偏差。

經研究，本文提出了一種真實反映能量再平衡失效模式的建模方法：通過在發動機罩外板上施加負溫度場，使外板內部產生收縮應力，該應力拉動內板做功，并驅動整個系統達到新的能量平衡狀態。這一創新建模方法準確模擬了能量再平衡失效模式的動力學過程。基于該模型的仿真結果在變化趨勢上與實物失效形態高度一致，仿真求解云圖與實物變形對比如圖12所示。

圖12某車型實際烘烤變形與新模型求解結果

利用該仿真模型，發動機罩前端關鍵區域變形的預測平均準確率達 86.9% ，如表3所示。

發動機罩測量點位如圖13所示。

圖13發動機罩測量點位

4結束語

本研究揭示了發動機罩烘烤變形的核心機理：發動機罩內外板因熱膨脹差異產生的錯動量被折邊膠固化鎖定，并在冷卻過程中通過系統能量再平衡引發輪廓變化。研究識別了瞬時失穩與能量再平衡2種基本失效模式，并建立了相應的力學模型和預測方法。基于所構建的仿真模型，在發動機罩前端關鍵區域實現了平均 86.9% 的預測準確度，能夠在發動機罩設計階段對其抗烘烤變形性能進行有效評估，為結構優化提供精準依據。

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