轎車前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度分析及優(yōu)化方法探討

轎車前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度分析及優(yōu)化方法探討前艙蓋是轎車的是重要部件，其扭轉(zhuǎn)剛度性能的好壞直接影響汽車的整體性能。本文采用基于扭轉(zhuǎn)角的評(píng)價(jià)方法，彌補(bǔ)了舊有方法的不足，并以某車型前艙蓋為例對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析；運(yùn)用Hypermesh以及MSCNASTRAN軟件平臺(tái)，進(jìn)行前艙蓋的有限元建模及其扭轉(zhuǎn)剛度的求解，并采用兩種方法進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比分析。1概述前艙蓋（又稱發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)罩）是最醒目的車身構(gòu)件，是顧客經(jīng)常要察看的部件之一。發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的在結(jié)構(gòu)上一般由外板和內(nèi)板組成，中間夾以隔熱材料，內(nèi)板起到增強(qiáng)剛性的作用，其幾何形狀由廠家選取，基本上是骨架形式。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的主要要求是隔熱隔音、自身質(zhì)量輕、剛性強(qiáng)。因此，其性能的好壞，直接影響車身的總體性能和舒適性。對(duì)前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度共考察兩種工況：一是模擬前艙蓋正常工作狀態(tài)下，約束鎖工作時(shí)，約束相應(yīng)的自由度，在緩沖塊處施加適當(dāng)?shù)妮d荷，利用NASTRAN求解，得到相應(yīng)的剛度值；二是鎖不工作，約束一側(cè)緩沖塊處適當(dāng)?shù)淖杂啥?，在另一?cè)緩沖塊處施加適當(dāng)?shù)妮d荷，利用NASTRAN求解，得到相應(yīng)的剛度值。本文對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度采用兩種方法進(jìn)行評(píng)價(jià)：常用的位移法，及角度法；位移法：即K=F/SK-剛度，F(xiàn)-施加的載荷，S-載荷對(duì)應(yīng)的位移角度法：即K=F/θK-剛度，F(xiàn)-施加的載荷，θ-載荷對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角位移法，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，單位變形所需要的力值。但它受加載點(diǎn)位置的影響，即不同點(diǎn)得到的結(jié)果不一樣。而在前艙蓋的扭轉(zhuǎn)剛度分析中，加載點(diǎn)常常選擇緩沖塊，但其位置并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定。所以，這種方法很難準(zhǔn)確的表達(dá)前艙蓋整體扭轉(zhuǎn)剛度；對(duì)此方法的扭轉(zhuǎn)剛度的提升，只需要簡(jiǎn)單的移動(dòng)緩沖塊的位置就能輕易地提高扭轉(zhuǎn)剛度值，但對(duì)整體剛度的提升并沒(méi)有實(shí)質(zhì)的意義。角度法，單位扭轉(zhuǎn)角所需要的力值。在前艙蓋的扭轉(zhuǎn)剛度的分析中，不受加載點(diǎn)位置影響，能很好的反應(yīng)前艙蓋的整體扭轉(zhuǎn)剛度。本文以某車型為例對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比，采用有限元法分析，對(duì)前艙蓋的幾何數(shù)模，利用Hypermesh建立有限元模型，給定一定的邊界約束條件和載荷條件，采用MSCNastran求解器對(duì)分析模型進(jìn)行求解。并根據(jù)分析結(jié)果及MSCNastran靈敏度優(yōu)化兩種方法對(duì)前艙蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比分析。2分析模型概況某車性前艙蓋有限元模型主要是其鈑金件，不包括附件和內(nèi)飾件。模型主要采用殼單元進(jìn)行建模：整個(gè)模型共有45892個(gè)單元，其中四邊形單元44342個(gè)，三角形單元1550個(gè)，三角形所占比例3.4%。鈑金件之間的連接方式主要采用CWELD單元和RBE2單元來(lái)模擬，內(nèi)外板之間的膠連接由RBE3模擬。模型中鈑金的材料是鋼，其材料屬性見(jiàn)下表1：表1模型材料屬性點(diǎn)擊圖片查看大圖整個(gè)前艙蓋有限元模型如圖1所示：點(diǎn)擊圖片查看大圖圖1某車型前艙蓋有限元模型3模型中的關(guān)鍵作用點(diǎn)分析用前艙蓋模型的關(guān)鍵點(diǎn)，主要是指加載點(diǎn)和約束點(diǎn)：(1)約束點(diǎn)鉸鏈處約束點(diǎn)主要是指鉸鏈安裝孔，分析時(shí)約束了該關(guān)鍵點(diǎn)的六個(gè)方向的自由度，從而模擬前艙蓋與車身的連接，使車門與車體固定；對(duì)于鉸鏈本身的銷軸用BEAM單元代替，同時(shí)釋放其繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來(lái)模擬鉸鏈繞銷軸旋轉(zhuǎn)的真實(shí)情況。前艙蓋鎖處約束點(diǎn)主要是前艙蓋鎖鎖扣和鎖鉤的鎖止點(diǎn)，分析時(shí)釋放了適當(dāng)?shù)淖杂啥?，以模擬前艙蓋鎖止時(shí)的狀態(tài)。(2)加載點(diǎn)加載點(diǎn)加載點(diǎn)主要是前艙蓋的幾個(gè)不同位置如前艙蓋緩沖塊處、內(nèi)板側(cè)邊中點(diǎn)、后邊中點(diǎn)、前邊中點(diǎn)及前艙蓋鎖裝點(diǎn)處。根據(jù)前艙蓋在不同位置的加載于約束條件的組合，形成各種工況，通過(guò)計(jì)算分析考察前艙蓋在約束條件下的模態(tài)及各工況下的剛度。4扭轉(zhuǎn)剛度分析兩種扭轉(zhuǎn)剛度：扭轉(zhuǎn)剛度一（約束前艙蓋鎖）、扭轉(zhuǎn)剛度二（約束緩沖塊）。分別考察將前艙蓋鉸鏈和前艙蓋鎖約束后，施加相應(yīng)載荷后的剛度，其評(píng)價(jià)方法分別用位移法和角度法。圖2和圖3為通過(guò)計(jì)算得到的兩種扭轉(zhuǎn)剛度位移云圖和應(yīng)力云圖，表2描述了兩種評(píng)價(jià)方法的剛度分析結(jié)果。點(diǎn)擊圖片查看大圖圖2扭轉(zhuǎn)剛度一位移云圖點(diǎn)擊圖片查看大圖圖3扭轉(zhuǎn)剛度二位移云圖點(diǎn)擊圖片查看大圖圖4扭轉(zhuǎn)剛度一應(yīng)力云圖點(diǎn)擊圖片查看大圖圖5扭轉(zhuǎn)剛度二應(yīng)力云圖表2兩種剛度兩種評(píng)價(jià)方法分析結(jié)果點(diǎn)擊圖片查看大圖由上表可以驗(yàn)證：在滿足布置及造型的前提下，僅僅改變加載點(diǎn)（緩沖塊）的位置，位移法的結(jié)果變化非常大，扭轉(zhuǎn)剛度一、二分別提高117.27%和142.07%；但角度法的結(jié)果變化很小，扭轉(zhuǎn)剛度一、二僅提高4.27%和3.67%。5優(yōu)化分析由上述可以判定：扭轉(zhuǎn)剛度一和扭轉(zhuǎn)剛度二沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)值，需要優(yōu)化提高，使其滿足目標(biāo)要求。而對(duì)于/zsjm/前艙蓋來(lái)說(shuō)，除了外板及鉸鏈的形狀一般不可以改變之外，其他組成件均可以用來(lái)優(yōu)化，包括其形狀和材料厚度。當(dāng)然還應(yīng)遵循輕量化設(shè)計(jì)的原則，即在滿足法規(guī)和性能要求的情況下，盡可能的減輕前艙蓋的總重量?，F(xiàn)在根據(jù)分析結(jié)果提出兩種優(yōu)化方案，如下：方法一、根據(jù)扭轉(zhuǎn)剛度的應(yīng)力云圖的結(jié)果分別如圖4～6所示：點(diǎn)擊圖片查看大圖圖6扭轉(zhuǎn)剛度的應(yīng)力云圖由應(yīng)變能和應(yīng)力集中的結(jié)果云圖做出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3、表4：表3方法一結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案點(diǎn)擊圖片查看大圖表4方法一結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果點(diǎn)擊圖片查看大圖方法二：采用MSC.Nastran靈敏度分析（求解序列SOL=200）對(duì)前艙蓋進(jìn)行優(yōu)化分析：選取前艙蓋8個(gè)可變構(gòu)成件材料厚度為優(yōu)化變量，變量?jī)?yōu)化范圍為初始厚度的±20%～30%；邊界條件為一階模態(tài)頻率值和兩種扭轉(zhuǎn)剛度目標(biāo)直；優(yōu)化目標(biāo)為前艙蓋總質(zhì)量最小。所選構(gòu)成件靈敏度分析結(jié)果及優(yōu)化結(jié)果分別見(jiàn)表5、表6所示：表5方法二所選構(gòu)件靈敏度分析結(jié)果點(diǎn)擊圖片查看大圖表6方法二優(yōu)化前后對(duì)比點(diǎn)擊圖片查看大圖由兩種優(yōu)化方法的優(yōu)化結(jié)果可以看出：1、兩種方法都可以提高前艙蓋的整體剛度，而且位移法和角度法的提升率幾乎一致；2、方法二較好，在不改變各零件形狀的情況下，不僅能達(dá)到優(yōu)化目的，滿足設(shè)計(jì)要求，還可以減輕前艙蓋質(zhì)量，建議采用此法優(yōu)化的結(jié)果。7結(jié)論