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)角的評價方法，彌補了舊有方法的不足，并以某車型前艙蓋為例對兩種方法進行對比分析；運用Hypermesh以及MSCNASTRAN軟件平臺，進行前艙蓋的有限元建模及其扭轉(zhuǎn)剛度的求解，并采用兩種方法進行優(yōu)化對比分析。1概述前艙蓋（又稱發(fā)動機蓋、發(fā)動機罩）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)動機蓋的在結(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)板起到增強剛性的作用，其幾何形狀由廠家選取，基本上是骨架形式。對發(fā)動機蓋的主要要求是隔熱隔音、自身質(zhì)量輕、剛性強。因此，其性能的好壞，直接影響車身的總體性能和舒適性。對前艙蓋扭轉(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，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)淖杂啥龋诹硪粋?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。本文對扭轉(zhuǎn)剛度采用兩種方法進行評價：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-載荷對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角位移法，相對比較簡單，單位變形所需要的力值。但它受加載點位置的影響，即不同點得到的結(jié)果不一樣。而在前艙蓋的扭轉(zhuǎn)剛度分析中，加載點常常選擇緩沖塊，但其位置并沒有統(tǒng)一的規(guī)定。所以，這種方法很難準(zhǔn)確的表達前艙蓋整體扭轉(zhuǎn)剛度；對此方法的扭轉(zhuǎn)剛度的提升，只需要簡單的移動緩沖塊的位置就能輕易地提高扭轉(zhuǎn)剛度值，但對整體剛度的提升并沒有實質(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兩種方法進行對比，采用有限元法分析，對前艙蓋的幾何數(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求解器對分析模型進行求解。并根據(jù)分析結(jié)果及MSCNastran靈敏度優(yōu)化兩種方法對前艙蓋結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比分析。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行建模：整個模型共有45892個單元，其中四邊形單元44342個，三角形單元1550個，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，其材料屬性見下表1：表1模型材料屬性點擊圖片查看大圖整個前艙蓋有限元模型如圖1所示：點擊圖片查看大圖圖1某車型前艙蓋有限元模型3模型中的關(guān)鍵作用點分析用前艙蓋模型的關(guān)鍵點，主要是指加載點和約束點：(1)約束點鉸鏈處約束點主要是指鉸鏈安裝孔，分析時約束了該關(guān)鍵點的六個方向的自由度，從而模擬前艙蓋與車身的連接，使車門與車體固定；對于鉸鏈本身的銷軸用BEAM單元代替，同時釋放其繞Y軸的轉(zhuǎn)動自由度來模擬鉸鏈繞銷軸旋轉(zhuǎn)的真實情況。前艙蓋鎖處約束點主要是前艙蓋鎖鎖扣和鎖鉤的鎖止點，分析時釋放了適當(dāng)?shù)淖杂啥?，以模擬前艙蓋鎖止時的狀態(tài)。(2)加載點加載點加載點主要是前艙蓋的幾個不同位置如前艙蓋緩沖塊處、內(nèi)板側(cè)邊中點、后邊中點、前邊中點及前艙蓋鎖裝點處。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，通過計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，其評價方法分別用位移法和角度法。圖2和圖3為通過計算得到的兩種扭轉(zhuǎn)剛度位移云圖和應(yīng)力云圖，表2描述了兩種評價方法的剛度分析結(jié)果。點擊圖片查看大圖圖2扭轉(zhuǎn)剛度一位移云圖點擊圖片查看大圖圖3扭轉(zhuǎn)剛度二位移云圖點擊圖片查看大圖圖4扭轉(zhuǎn)剛度一應(yīng)力云圖點擊圖片查看大圖圖5扭轉(zhuǎn)剛度二應(yīng)力云圖表2兩種剛度兩種評價方法分析結(jié)果點擊圖片查看大圖由上表可以驗證：在滿足布置及造型的前提下，僅僅改變加載點（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)剛度二沒有達到目標(biāo)值，需要優(yōu)化提高，使其滿足目標(biāo)要求。而對于/zsjm/前艙蓋來說，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。現(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)果見表3、表4：表3方法一結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案點擊圖片查看大圖表4方法一結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果點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）對前艙蓋進行優(yōu)化分析：選取前艙蓋8個可變構(gòu)成件材料厚度為優(yōu)化變量，變量優(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)果點擊圖片查看大圖表6方法二優(yōu)化前后對比點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，不僅能達到優(yōu)化目的，滿足設(shè)計要求，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