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        CAE分析在汽車引擎蓋優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

        2021-04-22 07:28:31秦軒轅王秋鋒李廣府
        河南科技 2021年1期
        關(guān)鍵詞:強度分析模態(tài)分析

        秦軒轅 王秋鋒 李廣府

        摘 要:本文以某皮卡車發(fā)生引擎蓋開裂問題為例,探討CAE分析在汽車引擎蓋優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用。首先,對某皮卡車發(fā)生引擎蓋開裂的問題進(jìn)行描述,然后從建立模型、模態(tài)分析、強度分析、優(yōu)化設(shè)計等幾個方面出發(fā),探討CAE分析在實際問題中的應(yīng)用。

        關(guān)鍵詞:CAE分析;引擎蓋開裂;模態(tài)分析;強度分析

        中圖分類號:U463文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1003-5168(2021)01-0117-03

        Abstract: This paper discussed the application of CAE analysis in the optimization design of automobile hood, taking the hood cracking of a pickup truck as an example. Firstly, the problem of hood cracking of a pickup truck was described, and then the application of CAE analysis in practical problems was discussed from the aspects of model establishment, modal analysis, strength analysis and optimization design.

        Keywords: computer aided engineering;hood cracking;modal analysis;strength analysis

        在現(xiàn)代汽車工業(yè)中,汽車已經(jīng)成為人們生活中必不可少的交通工具。結(jié)構(gòu)耐久、碰撞安全、動力經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、NVH(Noise、Vibration、Harshness)等整車性能開發(fā)已逐步成為汽車產(chǎn)品品質(zhì)的重要保證。而結(jié)構(gòu)耐久性是整車性能中一項很重要的指標(biāo),嚴(yán)重影響整車品質(zhì)。對于開裂及其他耐久性問題,一般可以采用增加加強板補強的簡單應(yīng)對措施,雖然可起到加強效果,但不符合整車輕量化發(fā)展趨勢。

        CAE(Computer Aided Engineering)是指計算機輔助工程,汽車CAE主要是指工程設(shè)計中的分析計算和分析仿真,其核心是基于現(xiàn)代計算力學(xué)的有限單元分析技術(shù)[1]。本文以某皮卡車發(fā)生引擎蓋開裂問題為例,探討CAE分析在汽車引擎蓋優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用。

        1 問題描述

        現(xiàn)以某皮卡車行駛28 000 km發(fā)生引擎蓋開裂問題為例,探討CAE分析在解決實際問題中的應(yīng)用。該車引擎蓋開裂示意圖如圖1所示。

        對于引擎蓋斷裂問題,常見原因為共振和強度不足。從振動方面考慮,可能是由于與某一頻率激勵發(fā)生共振,一般參考汽車怠速頻率(25 Hz);從結(jié)構(gòu)上分析,發(fā)現(xiàn)開裂位置處于凹槽處,該處應(yīng)力集中,且位于引擎蓋后側(cè),剛度較小,應(yīng)力也相應(yīng)較大。因此,針對該問題,同時從模態(tài)分析和強度分析兩個方面入手,并參考競品車型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

        2 CAE分析在解決實際問題中的應(yīng)用

        2.1 建立模型

        引擎蓋質(zhì)量(不帶鉸鏈及隔熱墊)為14.84 kg。對引擎蓋建立有限元模型,在進(jìn)行強度分析時,鉸鏈和鎖扣采用3D實體建模;焊點用RIGID單元模擬,膠體用3D實體單元模擬,建立的有限元模型見圖2,各零部件材料參數(shù)見表1。

        2.2 模態(tài)分析

        模態(tài)分析是求解結(jié)構(gòu)的各階固有頻率及其對應(yīng)的振型。固有頻率表征其結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性,是系統(tǒng)運動方程的特征值。固有頻率是結(jié)構(gòu)本身的固有特性,與外界載荷無關(guān),所以自由模態(tài)計算沒有任何邊界條件。自由模態(tài)計算結(jié)果如表2所示。

        為了進(jìn)一步解析問題,對故障車引擎蓋進(jìn)行應(yīng)變能密度分析,應(yīng)變能密度結(jié)果見圖3。從圖3可知,第一階和第二階模態(tài)中引擎蓋左右兩側(cè)折彎線與中部靠近前擋風(fēng)玻璃棱邊凹槽應(yīng)變能密度較大,由此可判斷引擎蓋后端中部開裂問題應(yīng)與第一階和第二階振動有關(guān)。

        2.3 強度分析

        在發(fā)罩關(guān)閉狀態(tài)時,約束前端罩鎖X向和Y向自由度,約束后端引擎蓋鉸鏈與車身連接處X向、Y向和Z向3個方向自由度,整體加載沖擊加速度及約束工況見圖4。

        應(yīng)力分析結(jié)果見表3,故障車型在垂直沖擊/急轉(zhuǎn)彎/制動三種工況下,應(yīng)力結(jié)果均遠(yuǎn)大于競品車型,故后續(xù)方案優(yōu)化設(shè)計應(yīng)重點考慮降低應(yīng)力。

        中間凹槽處由于沖壓造成減薄,本分析中不做考慮;兩端鉸鏈加強板焊接位置由于焊點造成應(yīng)力集中,且分析可能是在中部開裂后造成的彎曲開裂,本分析中也暫不考慮[2]。

        2.4 優(yōu)化設(shè)計

        2.4.1 方案分析。針對上述問題,研究者制定了6種優(yōu)化方案。接下來,從模態(tài)分析和強度分析兩個方面同時入手,并參考競品車型數(shù)據(jù),對6種優(yōu)化方案進(jìn)行分析,從而判斷最優(yōu)方案。

        方案1:引擎蓋后端增加加強筋a,該方案增加截面剛度27%,見圖5。

        方案2:引擎蓋后端增加加強筋b,該方案增加截面剛度4%,見圖6。

        方案3:引擎蓋后端增加加強筋c,該方案為分段加強,見圖7。

        方案4:增加內(nèi)板厚度,由0.6 mm增加至0.7 mm。

        方案5:取消凹槽,見圖8。

        方案6:取消凹槽并增大后端截面寬度。該方案是方案5的補充方案。增大引擎蓋后端截面寬度不僅能減小應(yīng)力,還可增大模態(tài)頻率

        2.4.2 方案結(jié)果。各方案應(yīng)力與模態(tài)分析結(jié)果見表4。

        通過上述結(jié)果可以看出,以上6種方案僅有第5、6兩種方案可行。方案5不僅優(yōu)化了應(yīng)力分布,而且在一定程度提高了模態(tài)頻率,減小了共振概率。因此,綜合判斷,建議取消凹槽。第6種方案是第5種方案的補充,其在應(yīng)力改善上非常明顯,主要優(yōu)勢是整體剛度提高較為明顯,可承受更大的激勵頻率范圍。

        但是,方案5和方案6均需要修改引擎蓋內(nèi)板模具,模具費投資較高。

        前4種方案雖不能使結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求,但方案1和方案4對原結(jié)構(gòu)優(yōu)化比例相對較大(≥30%),且不需要修改引擎蓋內(nèi)板模具,因此,也將方案1和方案4作為備用選擇,或者進(jìn)行組合選擇。

        對方案1和方案4進(jìn)行靈敏度分析,表5為增加加強板靈敏度分析結(jié)果;表6為內(nèi)板優(yōu)化靈敏度分析結(jié)果。

        從上述結(jié)果可知,內(nèi)板厚度雖然對厚度的靈敏度較大,但加強板a對質(zhì)量的靈敏度更大,因此可增加一定厚度的加強板a??紤]到焊接質(zhì)量問題,可采用1.2 mm厚的加強板,該方案可做備用選擇[3]。

        3 結(jié)論

        后端中部凹槽處開裂,主要是應(yīng)力集中造成的,應(yīng)力值為62.5 MPa,雖遠(yuǎn)低于材料屈服極限,但明顯大于競品車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值,考慮到實際工況可能更加惡劣,必須進(jìn)行優(yōu)化。通過分析可知:第一,消除凹槽(方案5)可以確保消除開裂問題,但修模費用高;第二,增大引擎蓋后端截面寬度(方案6)可以在降低應(yīng)力值的同時提高整體剛度,承受更大的激勵頻率范圍,但修模費用更高;第三,在后端增加加強板a(方案1)也可在一定程度改善開裂問題,并且不需要修改模具,可做備用選擇;第四,增加內(nèi)板料厚(方案4),可在一定程度改善開裂問題,且不需要修改模具,但成本增加,也可做備用選擇。

        考慮到成本、投資及改善效果,最終采用方案1,既能有效改善開裂問題,又不需修改模具,且成本較低。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王彥偉,鄭英.有限元法在車身設(shè)計中的應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造,2001(5):42-44.

        [2]張然治.疲勞試驗測試分析理論與實踐[M].北京國防工業(yè)出版社,2011:148-154.

        [3]張洪武.有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:124-156.

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