[轻量化设计] 基于有限元分析的发动机盖轻量化设计

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发表于 2014-10-19 17:09:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
本文以某车型发动机盖总成为研究对象,进行轻量化设计,建立了发动机盖总成的有限元模型,进行有限元模态、刚度和抗凹性分析,对比各方案下的模拟结果,确定了在满足性能指标的前提下,车身轻量化结构设计的最优方案。
        如今汽车行业面临的节能减排压力越来越大,汽车轻量化设计是各汽车企业在新车型设计时必须完成的课题。车身轻量化设计主要措施为改变车身结构或工艺、减小料厚和采用轻量化材料(包括高强度钢板、铝镁合金材料或以塑代钢)等。在确定车身轻量化方案后,需要对车身的各项性能进行有限元分析确认,满足目标值要求后再进行实物验证,经过评价合格后即可确认该方案可行。在车身轻量化设计方法中减小大型外板覆盖件的料厚,降重效果尤为明显。本文以某车型的发动机盖为例,详述其轻量化设计的过程与方法,结合有限元分析评价变更的风险和可行性,减小降重过程的盲目性,并为后期车身降重提供理论指导和参考。
        

基于有限元分析的发动机盖轻量化设计

基于有限元分析的发动机盖轻量化设计

        模型建立
        发动机盖总成由发动机盖外板、发动机盖内板和加强板组成。外板为空间曲率面板,与车身翼子板、前风窗和侧围A柱光滑、平顺过渡,与整车外造型协调一致,展现了整车的美观和设计风格;内板为网格状薄钢板,与外板通过焊接和包边形成一体。
        本文以某皮卡发动机盖总成为例,通过调整发动机盖内外板的厚度来进行有限元分析。通常汽车外覆盖件的料厚为0.65~1.0mm,根据设计经验,考虑到强度、刚度等性能要求和轻量化设计要求,现设定内外板的料厚为0.8mm和0.7mm,制定4个方案(见表1)。
        

基于有限元分析的发动机盖轻量化设计

基于有限元分析的发动机盖轻量化设计

        建立发动机盖总成的有限元模型,钣金件采用SHELL单元离散,点焊采用CWELD单元模拟,缝焊采用REB2单元模拟,同时,发动机盖内外板之间通过折边胶方式连接,胶的模拟方式对结果有较大影响,因此在分析中用体单元来模拟折边胶的厚度。将发动机盖总成离散为50498个单元、50473个节点,通过ANSA、NASTRAN和HYPERVIEW软件对其进行模拟分析。
        

基于有限元分析的发动机盖轻量化设计

基于有限元分析的发动机盖轻量化设计

        有限元分析
        1.模态分析
        发动机盖总成需要承受发动机、车身和路面带来的激励,因此对其模态有一定要求,通过模态分析其自身的振动特性,获得不同阶次的固有振动频率,避开车身和发动机共振频率。
        模态分析边界条件:约束铰链与车身连接处的所有自由度,放开铰链自身的旋转自由度,约束锁扣连接处X/Y/Z自由度,如图1所示。对4个方案的发动机盖总成进行模态分析,分析结果如表2所示。
        因发动机的怠速频率为25Hz,为了避免共振,发动机盖总成不同阶次固有振动频率应避开发动机怠速频率3Hz以上,从分析结果看,方案二和方案四的二阶模态未达到目标值,不满足设计要求。
        

基于有限元分析的发动机盖轻量化设计

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        2.刚度分析
        发动机盖位于车身前部,在发生碰撞或受到外力冲击时,发动机盖是最先接触并发生变形的部件,因此需要对其进行静刚度分析。
        弯曲刚度分析边界条件:约束铰链与车身连接处所有自由度,释放铰链绕轴旋转自由度;约束锁扣出Z向(开启方向)自由度,在内板加强筋上加载132N的Z向载荷,如图2所示。
        扭转刚度分析边界条件:约束铰链与车身连接处所有自由度,释放铰链绕轴旋转自由度;约束左前减振橡胶块Z向(开启方向)自由度,在右前减振橡胶块处施加100N的Z向载荷,如图3所示。
        侧向刚度分析边界条件:约束铰链与车身连接处所有自由度,释放铰链绕轴旋转自由度;约束锁扣出Z向(开启方向)自由度,在左前减振橡胶块处施加100N的Y向载荷,如图4所示。刚度分析结果如表3所示。
        从刚度分析结果看,方案二和方案四的扭转刚度均小于150N.m/°,不满足目标值要求,说明发动机内板的料厚对扭转刚度的影响较大。
        

基于有限元分析的发动机盖轻量化设计

基于有限元分析的发动机盖轻量化设计

        3.抗凹性分析
        车身外板的抗凹性是评价和反映覆盖件表面质量和使用性能的一项重要指标和特性,是用户选购新车的重要标准之一,发动机盖作为车身的大外观面,是用户考评外板抗凹性的主要区域。综合模态分析结果和刚度分析结果,方案二与方案四不满足目标值要求,并且抗凹性主要取决于外板的厚度,方案一和方案二的外板厚度均为0.8mm,方案三与方案四的外板厚度为0.7mm,因此在抗凹性模拟中仅对方案一和方案三的外板的压痕回弹进行分析评价,目的是检验发动机盖外板的抗凹能力。
        屈曲抗凹分析边界条件:约束铰链与车身连接处所有自由度,约束锁扣连接处X/Y/Z自由度和缓冲块处Z向自由度,在发动机盖外板上施加单位均布载荷。
        压痕回弹分析边界条件:约束铰链与车身连接处所有自由度,约束锁扣连接处X/Y/Z自由度和缓冲块处Z向自由度,根据发动机盖屈曲抗凹性分析结果,并考虑发动机盖外板的对称性,在其上选择10个点,通过压头对分析点施加垂直表面400N的载荷。分析结果如表4所示。
        从分析结果看,加载最大变形和卸载后的残余变形均出现在P5的位置,方案三的变形量略大于方案一,说明料厚减小,外板抗凹性能有降低,但两个方案的变形量均小于目标值要求。
        

基于有限元分析的发动机盖轻量化设计

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        结语
        对发动机盖内外板变更料厚后的4个方案,分别进行模态分析、刚度分析和抗凹性分析,综合以上结果,方案一和方案三满足所有性能的目标值要求。两个方案进行对比后,方案三的外板料厚降低0.1mm,重量减轻1.25kg,考虑到轻量化设计要求,选用方案三作为最终方案。
        本文运用有限元分析方法,建立有限元模型,综合考虑性能指标和节能降耗指标,实现了发动机盖外板轻量化设计,节约成本并缩短了开发周期,为结构设计优化提供了良好的设计思路,指导整车车身轻量化设计。
  • TA的每日心情
    慵懒
    2017-5-7 14:44
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    [LV.9]以坛为家II

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    [LV.3]偶尔看看II

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  • TA的每日心情
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    [LV.2]偶尔看看I

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