張兵 高鵬飛 曹宏偉 李建澎

（中國(guó)第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開(kāi)發(fā)分公司）

發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的性能，包含剛度、強(qiáng)度、耐久性和行人保護(hù)等多個(gè)方面。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，工程師需要完成各項(xiàng)性能指標(biāo)的仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)罩在關(guān)閉過(guò)程中產(chǎn)生的變形，即過(guò)關(guān)變形量，是在驗(yàn)證開(kāi)發(fā)前期必須予以重視的性能。過(guò)關(guān)變形量的校核關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)罩鈑金與周邊零部件的設(shè)計(jì)間隙是否合理，結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度是否滿足性能要求。在仿真校核時(shí)，需要考察關(guān)閉過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)罩的變形是否過(guò)大，是否會(huì)導(dǎo)致鈑金與其他部件出現(xiàn)磕碰，局部是否存在較大塑性應(yīng)變和永久變形等問(wèn)題。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)剛度工況能夠保證其靜態(tài)剛度，并與試驗(yàn)相關(guān)性較好。但其動(dòng)態(tài)性能仿真沒(méi)有與試驗(yàn)結(jié)果做充分的量化相關(guān)性驗(yàn)證。同時(shí)，隨著消費(fèi)者對(duì)車身造型及設(shè)計(jì)對(duì)車身間隙的要求越來(lái)越高，設(shè)計(jì)工程師對(duì)于過(guò)關(guān)量準(zhǔn)確仿真需求越來(lái)越強(qiáng)烈。因此對(duì)于此工況的仿真模型驗(yàn)證工作亟待進(jìn)行。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩過(guò)關(guān)性能仿真方法

要完成此項(xiàng)過(guò)關(guān)性能仿真，需要準(zhǔn)確地模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)罩關(guān)閉過(guò)程、鎖的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)行為、緩沖塊和密封條的變形，最后，計(jì)算輸出準(zhǔn)確的鈑金變形量、應(yīng)變和應(yīng)力歷程，為后續(xù)性能仿真提供依據(jù)，并指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩關(guān)閉性能需要利用顯式動(dòng)力學(xué)仿真分析[1]。ABAQUS/Explicit 模塊是解決此類問(wèn)題非常有效的工具之一，它具有較強(qiáng)的顯式仿真能力，仿真方法成熟、計(jì)算效率高，并且能夠考慮結(jié)構(gòu)大的變形、橡膠材料的非線性本構(gòu)關(guān)系。同時(shí)還具有完善的單元庫(kù)、接觸算法，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)師提供準(zhǔn)確的仿真設(shè)計(jì)參考。

具體方法是：首先，將發(fā)動(dòng)機(jī)罩及車身鈑金、內(nèi)外飾總體裝配模型分解為相互獨(dú)立的重要子系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)多個(gè)子系統(tǒng)分別進(jìn)行詳細(xì)建模和測(cè)試對(duì)標(biāo)，保證各子系統(tǒng)的性能仿真模型的準(zhǔn)確性。然后，將對(duì)標(biāo)后的模型進(jìn)行裝配，定義總體工況，完成計(jì)算與試驗(yàn)的對(duì)標(biāo)。以此，來(lái)保證整體仿真模型和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。從而總結(jié)出一套試驗(yàn)和仿真的流程和方法。同時(shí)完成模型校核，指導(dǎo)同類開(kāi)閉件仿真工況的建模及性能評(píng)價(jià)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩過(guò)關(guān)性能仿真模型

過(guò)關(guān)性能仿真模型規(guī)模大，涉及范圍廣，包括白車身、車身內(nèi)外飾、電氣件、機(jī)能件等。截取白車身前半部分，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩及其附件、緩沖塊、密封條、鎖機(jī)構(gòu)、車身外飾部件，以及前大燈等電氣件進(jìn)行詳細(xì)建模，如圖1 所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩過(guò)關(guān)性能仿真模型分解圖

發(fā)動(dòng)機(jī)罩仿真模型中，關(guān)鍵部分鈑金網(wǎng)格采用平均尺寸（6 mm）可以獲得與試驗(yàn)接近的應(yīng)力結(jié)果；焊點(diǎn)采用ABAQUS 的fasterner 焊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連接；減振膠采用共節(jié)點(diǎn)或tie 接觸與鈑金連接；鉸鏈軸及鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)零件旋轉(zhuǎn)軸均采用conn3d2 單元，通過(guò)hinge 連接類型釋放繞軸旋轉(zhuǎn)自由度。鎖彈簧定義按照其設(shè)計(jì)剛度，需考慮安裝時(shí)預(yù)拉伸載荷，調(diào)整定義拉伸長(zhǎng)度。橡膠緩沖塊與密封條考慮超彈性材料，選用Mooney-Rivilin 模型。在整體裝配完成后，需要考慮全局接觸的作用，同時(shí)還需要檢查網(wǎng)格模型，避免局部穿透和干涉。

3 子系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)量與仿真對(duì)標(biāo)

通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)罩關(guān)閉過(guò)程：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩被抬起一定高度釋放后，其繞鉸鏈軸做自由落體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖鉤與鎖，發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板與緩沖塊和密封條接觸，下落達(dá)到極限位置后反彈并鎖止，最后振動(dòng)衰減直到靜止?fàn)顟B(tài)。整個(gè)關(guān)閉過(guò)程可提取出影響較大的3 個(gè)子系統(tǒng)，分別為：鎖機(jī)構(gòu)、緩沖塊、密封條。接下來(lái)，需要對(duì)以上關(guān)鍵子系統(tǒng)零部件進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)測(cè)量，并與仿真模型在同一工況下獲得的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，從而修正仿真模型。

3.1 鎖機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)

通過(guò)推拉力計(jì)完成安全鉤推力與卡板的下壓力的測(cè)量，共需完成3 次測(cè)試，如圖2 所示。由于解鎖后卡板需要將發(fā)動(dòng)機(jī)罩頂起，因此測(cè)得卡板下壓力較大，數(shù)值為96～98 N，測(cè)得安全鉤的推力值為5～6 N。在仿真模型中，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整卡板彈簧仿真定義參數(shù)，包括彈簧的預(yù)拉伸長(zhǎng)度和剛度，安全鉤扭簧的扭轉(zhuǎn)剛度及安裝角度，使其仿真結(jié)果達(dá)到與測(cè)試結(jié)果一致。

圖2 鎖安全鉤和卡板測(cè)量及鎖總成模型

3.2 緩沖塊子系統(tǒng)

選取多個(gè)緩沖塊樣本，利用彈性體剛度試驗(yàn)臺(tái)，如圖3 所示，進(jìn)行10 mm 靜態(tài)剛度試驗(yàn)。樣本固定后，記錄壓縮過(guò)程的力與位移，得到壓縮反力曲線。通過(guò)調(diào)整橡膠材料Mooney-Rivilin 模型的參數(shù)[2]，使仿真計(jì)算結(jié)果在2 個(gè)試驗(yàn)樣本之間取值，如圖4 所示。

圖3 彈性體剛度試驗(yàn)臺(tái)

圖4 緩沖塊仿真模型和擬合曲線

3.3 密封條子系統(tǒng)

截取長(zhǎng)度為50 mm 的密封條樣件，按照車身安裝方式固定到試驗(yàn)臺(tái)，利用彈性體剛度試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行10 mm 靜態(tài)剛度試驗(yàn)，記錄力與位移，得到壓縮反力曲線。同理，可調(diào)整其材料模型參數(shù)，使密封條壓縮反力曲線與試驗(yàn)曲線吻合，如圖5 所示。

圖5 密封條仿真模型和擬合曲線

以上根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，完成了仿真子系統(tǒng)建模和試驗(yàn)工況的仿真分析，獲得了符合子系統(tǒng)力學(xué)性能的仿真模型。

4 試驗(yàn)測(cè)量與裝配模型仿真

在發(fā)動(dòng)機(jī)罩關(guān)閉試驗(yàn)中，定義發(fā)動(dòng)機(jī)罩前部邊緣打開(kāi)300 mm 高度釋放并關(guān)閉，共進(jìn)行3 次。試驗(yàn)過(guò)程中，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板邊緣的間隙，即過(guò)關(guān)量變化，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前部加速度變化，鎖鉤附件發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板局部應(yīng)變變化。

對(duì)于過(guò)關(guān)量變化的測(cè)量，由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩關(guān)閉過(guò)程的變形須在100 ms 內(nèi)完成，發(fā)生時(shí)間非常短。以往的傳統(tǒng)測(cè)量方式，例如放置橡皮泥測(cè)量（采用橡皮泥被靜壓與動(dòng)壓后的高度差來(lái)測(cè)量過(guò)關(guān)量），無(wú)法準(zhǔn)確判斷橡皮泥的自身彈性恢復(fù)，手工測(cè)量誤差較大，因此只能定性判斷是否接觸。無(wú)法滿足對(duì)量化對(duì)標(biāo)的精度要求。為了解決上述問(wèn)題，此次試驗(yàn)采用了高速攝像機(jī)間接測(cè)量的方式記錄變形過(guò)程[3]，此方法無(wú)需工裝，可間接無(wú)接觸測(cè)量。試驗(yàn)前，將發(fā)動(dòng)機(jī)罩及前大燈表面做好特征標(biāo)記，在發(fā)動(dòng)機(jī)罩下落過(guò)程中，穩(wěn)定擺放在被測(cè)標(biāo)記正側(cè)方的高速攝像機(jī)以1 920 幀/s 的速度，準(zhǔn)確、清晰地記錄發(fā)動(dòng)機(jī)罩每0.52 ms 的變形。后期對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，可以精確找到發(fā)動(dòng)機(jī)罩變形的極限位置。這一試驗(yàn)過(guò)程，如圖6 所示。測(cè)量采集的圖像中特征點(diǎn)像素?cái)?shù)量，即可等效得到發(fā)動(dòng)機(jī)罩相對(duì)其靜止位置的最大變形量，即過(guò)關(guān)量。測(cè)量的精度可以達(dá)到0.1 mm，大大提高了測(cè)量水平[4]。經(jīng)過(guò)對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)圖像和極限位置分析處理后，得到發(fā)動(dòng)機(jī)罩的過(guò)關(guān)量測(cè)量值為5.0 mm。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)罩過(guò)關(guān)變形測(cè)量方法示意圖

在發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖鉤以及緩沖塊接觸附近，選取仿真中應(yīng)變較大的2 個(gè)位置，布置粘貼應(yīng)變片，以記錄關(guān)閉過(guò)程局部應(yīng)變變化[5]。記錄的數(shù)據(jù)可以通過(guò)Tecware 軟件轉(zhuǎn)換為米塞斯應(yīng)力和主應(yīng)力，如圖7 和圖8 所示。

圖7 應(yīng)變片粘貼位置

圖8 應(yīng)變片粘貼位置及應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

在發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板表面，安裝3 向加速度傳感器，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)罩關(guān)閉過(guò)程的加速度變化，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖9 加速度傳感器布置及加速度測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)量完成后，將所有對(duì)標(biāo)完成的子系統(tǒng)模型裝配到整體模型，并定義發(fā)動(dòng)機(jī)罩300 mm 釋放試驗(yàn)工況進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真工況的輸入條件，可根據(jù)能量守恒原理，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)罩在與鎖機(jī)構(gòu)接觸之前的理論初始角速度為2.54 rad/s，同時(shí)施加重力場(chǎng)，對(duì)仿真模型車身斷面進(jìn)行充分約束，設(shè)置時(shí)間為80 ms，以此工況定義并完成計(jì)算。

仿真結(jié)果，如圖10 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)罩完成下落并實(shí)現(xiàn)各部分接觸，鎖機(jī)構(gòu)與鎖鉤實(shí)現(xiàn)閉合，達(dá)到預(yù)期效果。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)罩仿真計(jì)算結(jié)果截圖

如圖11 所示，仿真模型的系統(tǒng)總能量、內(nèi)能、動(dòng)能曲線平穩(wěn)，仿真結(jié)果合理可靠。

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)罩仿真計(jì)算能量曲線

在與試驗(yàn)加速度傳感器相同的位置，提取仿真加速度曲線與試驗(yàn)曲線的對(duì)比[6]，如圖12 所示，加速度曲線在發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖鉤和與鎖總成以及緩沖塊等部件接觸發(fā)生時(shí)波動(dòng)明顯，且加速度峰值和發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)較好，誤差為5.7%。

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)罩仿真與測(cè)量加速度曲線對(duì)比圖

發(fā)動(dòng)機(jī)罩應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集后處理結(jié)果，如圖13 所示，在仿真模型中輸出同一位置的米塞斯應(yīng)力，應(yīng)力幅值范圍對(duì)應(yīng)較好。仿真結(jié)果中，發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板塑性應(yīng)變較小，無(wú)永久變形發(fā)生。

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)罩仿真與測(cè)量應(yīng)力曲線對(duì)比圖

發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板邊緣變形仿真結(jié)果的測(cè)點(diǎn)選取與試驗(yàn)一致，采用與試驗(yàn)統(tǒng)一的方法計(jì)算的過(guò)關(guān)量仿真結(jié)果為4.7 mm，如圖14 所示，與試驗(yàn)值相差約6%。其它發(fā)動(dòng)機(jī)罩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量，如圖15 所示，均小于設(shè)計(jì)過(guò)關(guān)量，符合設(shè)計(jì)要求。由于大燈附近與緩沖塊的距離較遠(yuǎn)，此處變形量最大，后續(xù)車型設(shè)計(jì)過(guò)程需重點(diǎn)關(guān)注。

圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)罩仿真與試驗(yàn)同一位置變形量

圖15 發(fā)動(dòng)機(jī)罩鈑金邊緣變形量統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)罩仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)罩在關(guān)閉過(guò)程中，未與車身外飾及電氣件發(fā)生接觸，滿足過(guò)關(guān)量設(shè)計(jì)要求。文章通過(guò)各子系統(tǒng)的試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，完成了仿真模型的驗(yàn)證。

文章介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)罩過(guò)關(guān)性能相關(guān)的子系統(tǒng)仿真建模方法，并完成了各子系統(tǒng)仿真和試驗(yàn)測(cè)量的對(duì)標(biāo)，保證各自系統(tǒng)裝配后的模型準(zhǔn)確性。 利用ABAQUS/Explicit 完成了發(fā)動(dòng)機(jī)罩300 mm 釋放后過(guò)關(guān)性能的仿真，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量的加速度、邊緣點(diǎn)變形量、鎖鉤與緩沖塊接觸局部的應(yīng)變、應(yīng)力分別對(duì)標(biāo)，對(duì)應(yīng)情況較好，進(jìn)而驗(yàn)證了整個(gè)方法和流程的準(zhǔn)確性。同時(shí)，也為下一步進(jìn)行其他開(kāi)閉件的過(guò)關(guān)性能和開(kāi)閉疲勞耐久仿真分析打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。