孫靜瑤，張遙，劉春陽

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

前言

隨著汽車在我國的迅速普及，汽車市場競爭日趨激烈，如何縮短產(chǎn)品整改周期，降低開發(fā)成本，對設計人員提出了更高要求，CAE技術的應用，能夠使設計問題提前暴露，減少設計問題在試制、生產(chǎn)階段發(fā)生的概率，降低產(chǎn)品開發(fā)損失。本文在設計階段，對發(fā)動機罩各項指標進行了定義，通過CAE軟件對發(fā)動機罩進行了系統(tǒng)分析，對設計結(jié)構(gòu)進行改進及優(yōu)化。

發(fā)動機艙蓋是保護發(fā)動機艙的主要零部件，對發(fā)動機艙起到防水、防塵、隔熱、降噪的作用，其造型也是整車外觀效果的重要部分，發(fā)動機艙蓋結(jié)構(gòu)上要實現(xiàn)開啟和關閉，并在特定角度實現(xiàn)支撐停留，須具有一定的剛度，除此以外，發(fā)動機罩需滿足國家法規(guī)要求，實現(xiàn)安全碰撞、行人保護等功能，設計時必須綜合考慮。因此發(fā)動機罩結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)良直接影響整車的被動安全性與乘坐舒適性，對于發(fā)動機艙蓋的設計要求是剛性強、質(zhì)量輕、隔熱效果好。

1 發(fā)動機罩問題分析

本文結(jié)合生產(chǎn)開發(fā)過程，對三項相互制約的指標進行研究解決。⑴生產(chǎn)階段，在發(fā)動機罩間隙面差調(diào)整過程中，機蓋關閉狀態(tài)下存在外板光影不順。機蓋外板受鎖鉤向下的拉力，機蓋膠堵向上的支撐力，在機蓋橫向剛度不足時，會產(chǎn)生微小凹陷，影響整車視覺效果，降低車主對車輛的品味，需要分析內(nèi)外板整體強度；⑵車輛在高速行駛時機蓋外板受空氣阻力影響，造成機蓋外板內(nèi)外壓差，外板產(chǎn)生凹陷，車主會對此問題產(chǎn)生抱怨，需要進行發(fā)動機蓋掌壓分析，加強機蓋外板支撐；⑶根據(jù)CNCAP法規(guī)要求，車輛在與行人產(chǎn)生碰撞時，發(fā)動機罩應保護行人減緩行人傷害，需要弱化機蓋外板的強度；三個指標相互制約，一個指標的調(diào)整影響其它兩個指標的達成，針對不同設計結(jié)構(gòu)及方案，本文用CAE軟件評估出最優(yōu)設計方案，完成對發(fā)動機蓋的理論設計。

對發(fā)動機蓋強度及行人保護影響因素進行分析，主要包括發(fā)動機罩外板、發(fā)動機罩內(nèi)板、鎖扣加強板、鎖扣連接板，各零部件通過焊點、折邊膠、膨脹膠相互連接；支撐部件有發(fā)動機罩鉸鏈、機罩鎖、發(fā)動機罩氣動撐桿、緩沖膠堵、機艙密封條；周邊部件有塑料水箱框架、前組合燈、翼子板、翼子板支架、機艙飾板；本文發(fā)動機罩CAD模型 見圖1，支撐部件及周邊部件做為邊界條件在CAD模型上建立約束。同時，為保證造型及總布置要求，對其它強相關的影響因素，如機蓋外板到水箱框架距離、機蓋外板到發(fā)動機距離不進行調(diào)整。

2 發(fā)動機罩有限元模型的建立

發(fā)動機罩有限元分析模型中鈑金件采用殼單元網(wǎng)格劃分，忽略直徑小于 5mm 的圓角，忽略直徑小于 5mm 的圓孔，用于結(jié)構(gòu)連接的孔，在圓心處生成節(jié)點。各部件之間點焊采用FASTENER模擬，螺栓連接采用MPC 單元模擬，有限元模型見圖2：

圖1 發(fā)動機艙蓋CAD模型

圖2 發(fā)動機艙蓋有限元模型

對材料的彈性模量、剪切模量、泊松比、密度進行特性設置，如表1：

表1 材料特性

3 發(fā)動機罩邊界條件及目標值設定

機蓋鎖扣對外板凹陷分析邊界條件設置如下，機罩鉸鏈處約束全部自由度，緩沖塊處約束Z向自由度，在鎖扣處施加200N的集中力，計算機蓋外板位移量。

機蓋外板抗凹陷分析邊界條件設定如下，約束發(fā)動機罩外板邊緣節(jié)點所有自由度，根據(jù)發(fā)動機罩內(nèi)外板結(jié)構(gòu)，選取機蓋外板的薄弱區(qū)域，參考人手部模型尺寸，將載荷設置為40mmX25mmX6mm的橡膠塊，延垂直于外板表面依次施加100N、225N的力，然后進行卸載，計算外板100N載荷的最大位移量、225N卸載后的殘余變形量。

行人保護機蓋分析設定，將機蓋劃分成左、中、右等分的 3個區(qū)域，測試區(qū)域內(nèi)的測點間距 100mm ，針對機蓋前端的9個點（見圖3）：

圖3 機蓋前端行人保護頭部撞擊點

模型仿真假人頭部以35 km/h 的速度，按照65°的方向撞擊發(fā)動機蓋，分析撞擊點的最大加速度值、持續(xù)時間，得出HIC值。

發(fā)動機罩目標值設定，詳見表2：

表2 設計目標值及CAE分析

4 CAE分析及優(yōu)化

分析結(jié)果顯示，機蓋鎖鉤引起外板變形量、100N的最大變形量、行人傷害值均不滿足設計目標要求（見表2）。從整車角度初步分析分析，整車機蓋外板造型，機蓋外板料厚0.65mm，機蓋內(nèi)板料厚0.6mm，不做優(yōu)化，對機蓋內(nèi)板結(jié)構(gòu)，鎖扣加強板與鎖扣連接板結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。

結(jié)合發(fā)動機罩CAE應力云圖，選定發(fā)動機罩結(jié)構(gòu)中的三個關鍵尺寸（圖4）作為影響因素進行優(yōu)化：1）鎖扣連接板上涂膠槽與內(nèi)板涂膠槽間距 304mm，外板無支撐區(qū)域跨度大，是外板抗凹陷剛度低于目標值因素之一；2）主鎖位置內(nèi)表外板最小間隙 28mm，潰縮空間小，是行人保護不滿足要求主要因素；3、機蓋內(nèi)板鎖鉤后邊界行人保護五個潰縮孔消弱了機蓋橫向剛度，是外板凹陷剛度低于目標值的另一因素。

圖4 機蓋結(jié)構(gòu)影響因素

圖5 發(fā)動機艙蓋優(yōu)化方案

針對三個影響因素，制定了三個技術方案：方案一、①橫向加大鎖扣加強板，提升機蓋內(nèi)板橫向剛度，并增加加強筋、翻邊，②橫向加大鎖扣連接板，增設涂膠槽，③將機蓋內(nèi)板鎖扣平面Z向降低，增大與外板的潰縮空間；方案二、①機蓋內(nèi)板兩側(cè)減重孔前移加大，支撐外板涂膠槽前移，潰縮孔Z向減短，增加橫向臺階，②取消鎖扣連接板，鎖扣加強板增加支腿，支撐外板；方案三、①機蓋鎖前移，分體鎖改為一體鎖，②機蓋內(nèi)板四個減重孔加大，支撐外板涂膠槽前移，潰縮孔Z向減短，增加橫向臺階，③鎖扣連接板支撐外板的支腿移到成人頭型試驗的發(fā)動機罩前沿基準線以外區(qū)域，弱化區(qū)域內(nèi)支腿強度。

根據(jù)三種技術方案完成數(shù)據(jù)模型搭建（見圖5），對數(shù)據(jù)模型進行CAE分析，結(jié)果見表3，方案三各項指標均滿足要求；方案一鎖閉時外板變形量偏大，行人保護傷害值偏高，繼續(xù)加強或減弱均不能滿足要求，方案二外板抗凹性高于目標值，繼續(xù)優(yōu)化需加強支撐結(jié)構(gòu)，方案二、三行人保護滿足要求，但傷害值處于臨界狀態(tài)，不在對方案二繼續(xù)優(yōu)化，根據(jù)分析結(jié)果選擇方案三進行產(chǎn)品開發(fā)。

表3 發(fā)動機蓋CAE分析結(jié)果

5 試驗驗證

對開發(fā)完成的產(chǎn)品進行試驗驗證，機蓋行人保護得分12.9，滿足 CNCAP整體評分要求；對機蓋外板進行剛度試驗，試驗過程選取機蓋前端薄弱區(qū)域進行加載，繪制載荷—位移曲線圖（圖6），計算鎖鉤區(qū)域剛度值20.12N/mm，滿足設計要求；在機蓋鎖閉整車狀態(tài)進行光影分析，完成機蓋周邊間隙面差調(diào)整，無光影扭曲現(xiàn)象；

圖6 機蓋外板載荷—位移曲線

通過本車型開發(fā)，發(fā)動機罩總成DVP試驗均達到指標要求，在滿足產(chǎn)品性能同時，減少了產(chǎn)品后期整改。

6 總結(jié)和結(jié)論

發(fā)動機罩是設計階段指標爭議較普遍零部件之一，本文采用的將機蓋內(nèi)板行人保護潰縮孔與加強筋串聯(lián)布置，根據(jù)發(fā)動機罩前沿基準線設計支撐結(jié)構(gòu)的設計形式，在未增加零部件數(shù)量，提升了結(jié)構(gòu)零部件強度，并減輕了結(jié)構(gòu)件重量，可作為后期產(chǎn)品設計的參考。

發(fā)動機罩行人保護、機蓋剛度的矛盾與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)布置有很大關系，歐系車型把機蓋鎖布置到機蓋兩側(cè)，或在造型階段抬高機蓋外板型面，均能滿足目標要求，但會造成單車成本增加，開發(fā)周期延長。

發(fā)動機罩 CAE分析對設計階段多方案評估提供了理論判定依據(jù)。

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