蔣汪萍++陳宇豪

摘 要：該文結(jié)合逆向工程和有限元兩種技術(shù)對(duì)微型商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋進(jìn)行了分析。通過(guò)采用FARO激光測(cè)量?jī)x進(jìn)行前艙蓋數(shù)據(jù)掃描，在CATIA V5平臺(tái)下對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)獲取其三維數(shù)模。在此基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件建立有限元模型，并根據(jù)實(shí)際工作條件對(duì)模型進(jìn)行力和力矩加載，得到相應(yīng)工況下的位移和應(yīng)力圖。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋 逆向設(shè)計(jì) 曲面重構(gòu) 有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TH238 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（b）-0134-02

1 課題研究意義

發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋作為車(chē)身重要部件之一，在車(chē)身設(shè)計(jì)過(guò)程中占據(jù)較大的比重。但形體復(fù)雜，自由曲面居多的外形結(jié)構(gòu)很難用解析式表達(dá)，也不適合用CAD等制圖工具直接設(shè)計(jì)造型。逆向設(shè)計(jì)技術(shù)的采用可克服傳統(tǒng)艙蓋設(shè)計(jì)的不足，能夠快速重現(xiàn)先進(jìn)車(chē)身的模型設(shè)計(jì)。同時(shí)逆向設(shè)計(jì)技術(shù)簡(jiǎn)化了模型的創(chuàng)建難度，可提早預(yù)測(cè)汽車(chē)性能，有利于避免新車(chē)開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，提高了產(chǎn)品的可靠性。

逆向設(shè)計(jì)完成后，還需對(duì)其進(jìn)行必要的有限元分析。CAE技術(shù)的應(yīng)用能夠有效地改變?cè)O(shè)計(jì)思想和方法，提高設(shè)計(jì)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力。利用有限元軟件對(duì)車(chē)身覆蓋件進(jìn)行有限元分析，使其在滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度等前提下，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。不但可以減少材料浪費(fèi)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更有利于提高車(chē)輛的性能。

2 微型商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋有限元模型的建立

文章將通過(guò)CATIA V5建立的前艙蓋數(shù)模導(dǎo)入ANSA軟件，進(jìn)行有限元分析前處理。建立了正確的有限元模型后，然后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行分析，從而得出發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋的基本性能。

2.1 三維模型的構(gòu)建

發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋是轎車(chē)車(chē)身覆蓋件的關(guān)鍵總成，如圖1所示，不僅要牢靠地固定在車(chē)身上且保證可靠、順利地開(kāi)關(guān)外，而且要滿(mǎn)足汽車(chē)的整車(chē)安全性和NVH性能，因此發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋必須要有足夠的剛度。如果剛度不足，就會(huì)導(dǎo)致艙蓋局部變形較大而影響艙蓋的密封性。

文章運(yùn)用非接觸式的Faro激光掃描儀獲取某微型商用車(chē)汽車(chē)前艙蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)其用CATIA V5軟件進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，完成了前艙蓋數(shù)字模型的建立，最終得到發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在的壞點(diǎn)極易導(dǎo)致該點(diǎn)及其周?chē)那嫫x原模型曲面，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使擬合后的曲面發(fā)生干涉、翹曲等變形，甚至無(wú)法擬合曲面等。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理可以保證后續(xù)曲面重構(gòu)環(huán)節(jié)的順利進(jìn)行。

點(diǎn)云處理的最終目的是將點(diǎn)云轉(zhuǎn)變成曲面，通過(guò)使用創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊中的加厚曲面工具將艙蓋曲面加厚0.8 mm，完成曲面到數(shù)模的轉(zhuǎn)換。

2.2 幾何模型修復(fù)和抽中面

發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋是典型的沖壓鈑金件，在對(duì)其劃分網(wǎng)格前，需要抽取中面，以有利于劃分網(wǎng)格和提高計(jì)算精度。中面抽取結(jié)束后，需要對(duì)中面進(jìn)行幾何清理，這樣可以改善網(wǎng)格質(zhì)量，提高分析效率。

2.3 有限元模型單元質(zhì)量控制

單元的質(zhì)量直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)于四邊形單元，最主要的是注意檢查單元的翹曲程度。另一個(gè)影響模型質(zhì)量的因素是偏斜度，反映了單元夾角的偏斜程度[3]。建模時(shí)，三角形單元數(shù)量對(duì)應(yīng)力分布有較大影響，數(shù)目過(guò)多可能會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中等現(xiàn)象，所以要盡量多使用四邊形單元。

2.4 材料屬性和網(wǎng)格劃分

發(fā)動(dòng)機(jī)前艙蓋由于其所處位置的特殊性，會(huì)不斷受到拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)等變形。因此選取的有限元網(wǎng)格單元類(lèi)型為殼單元，材料選取鋼材料。

網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響分析結(jié)果的精確度，前艙蓋劃分網(wǎng)格時(shí)選取的單元長(zhǎng)度為8 mm。整個(gè)有限元模型共有網(wǎng)格9 346個(gè)，包括四邊形網(wǎng)格9 136個(gè)，占比97.75%，三角形網(wǎng)格210個(gè)，占比2.25%。

3 艙蓋剛度分析

3.1 艙蓋剛度理論分析

剛度是反映載荷與變形之間的關(guān)系特征，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋應(yīng)具有足夠的剛度，以防止艙蓋局部區(qū)域出現(xiàn)較大的變形，影響整車(chē)的正常使用[4]。發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋剛度分析主要分為彎曲剛度分析和扭轉(zhuǎn)剛度分析，通過(guò)計(jì)算分析，得到車(chē)身的彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度值。

3.1.1 彎曲剛度

彎曲剛度是在研究對(duì)象上施加載荷，查看其抵抗彎曲變形的能力[4]。在計(jì)算彎曲剛度時(shí)，將艙蓋看作一個(gè)簡(jiǎn)支梁，艙蓋的緩沖塊A、B約束X向（開(kāi)啟方向）平動(dòng)自由度，載荷F施加在艙蓋開(kāi)啟鎖扣處，艙蓋在載荷F作用下發(fā)生彎曲變形。簡(jiǎn)化后的彎曲剛度示意圖如2所示。

理論上，艙蓋彎曲剛度計(jì)算公式所下：

（1）

其中：為艙蓋彎曲剛度（N/mm）；F為加載的彎曲載荷（N）；為最大變形值（mm）。

3.1.2 扭轉(zhuǎn)剛度

扭轉(zhuǎn)剛度通過(guò)在研究對(duì)象上施加扭矩，考察其抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，簡(jiǎn)化后的扭轉(zhuǎn)剛度如圖3所示。

理論上，艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式如式（2）和式（3）所示。

（2）

（3）

其中：為艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度（Ngm/°）；θ為扭轉(zhuǎn)角（°）；T為扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（Ngm）；Lx為左側(cè)位移變化量（mm）；Rx為右側(cè)位移變化量（mm）；L為加載點(diǎn)兩點(diǎn)間距離（mm）。

3.2 彎曲剛度計(jì)算分析

3.2.1 建立剛性連接

對(duì)模型的完整性、零件PID及料厚、材料等進(jìn)行檢查之后在相應(yīng)部位進(jìn)行剛性連接。建立剛性連接后，使用SPC約束命令在鉸鏈處建立全約束，此外在緩沖塊處約束沿前艙蓋X向平動(dòng)自由度。建立好約束后，使用Node命令進(jìn)行載荷施加，對(duì)鎖扣處施加X(jué)向200 N的力。在ANSA中建立彎曲工況，最終將文件保存為BDF文件，提交給NASTRAN計(jì)算。

3.2.2 彎曲剛度計(jì)算分析

計(jì)算完成后，NASTRAN會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)的文件，將生成的文件導(dǎo)入到后處理軟件HyperView中，通過(guò)設(shè)置Add即可得到艙蓋沿加載方向的最大位移值為15.729 mm。

跟據(jù)上述對(duì)彎曲剛度理論的介紹，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋的彎曲剛度計(jì)算結(jié)果如下：

=140.47 N/mm

最后輸出彎曲工況下的應(yīng)力云圖，得到彎曲工況下的最大應(yīng)力值為209.70 Mpa，由此可以判斷結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為以后的優(yōu)化提供參考。

3.3 扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算分析

扭轉(zhuǎn)工況下，在兩個(gè)緩沖塊處施加大小相等、方向相反的力，使兩個(gè)力的力矩為62.6 N·m，力臂為兩個(gè)加載點(diǎn)的距離，即1 043.89 mm。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到所需施加的力的大小，在緩沖塊處施加X(jué)向60 N的力。

計(jì)算完成后，將NASTRAN生成的文件導(dǎo)入到后處理HyperView中，即可得到艙蓋沿加載方向的最大位移值-4.469 mm和4.476 mm。

得到加載點(diǎn)的最大位移后，通過(guò)扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式可以得出艙蓋的扭轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)剛度如下：

=0.49°；

127.76 N·m/°

最后輸出應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力是737.4 Mpa，小于材料的屈服應(yīng)力，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

該文利用NASTRAN和HyperWorks對(duì)艙蓋的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行分析計(jì)算，得到位移圖和應(yīng)力圖。逆向的車(chē)型的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度比實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)偏小，建議可對(duì)內(nèi)板結(jié)構(gòu)加一些加強(qiáng)筋使其剛度與實(shí)際車(chē)型接近滿(mǎn)足剛度要求，三維建模的數(shù)據(jù)為以后的設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

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