CAE分析在汽车引擎盖优化设计中的应用

秦轩辕 王秋锋 李广府

摘 要：本文以某皮卡车发生引擎盖开裂问题为例，探讨CAE分析在汽车引擎盖优化设计中的应用。首先，对某皮卡车发生引擎盖开裂的问题进行描述，然后从建立模型、模态分析、强度分析、优化设计等几个方面出发，探讨CAE分析在实际问题中的应用。

关键词：CAE分析;引擎盖开裂;模态分析;强度分析

中图分类号：U463文献标识码：A文章编号：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

在现代汽车工业中，汽车已经成为人们生活中必不可少的交通工具。结构耐久、碰撞安全、动力经济性、操纵稳定性、NVH（Noise、Vibration、Harshness）等整车性能开发已逐步成为汽车产品品质的重要保证。而结构耐久性是整车性能中一项很重要的指标，严重影响整车品质。对于开裂及其他耐久性问题，一般可以采用增加加强板补强的简单应对措施，虽然可起到加强效果，但不符合整车轻量化发展趋势。

CAE（Computer Aided Engineering）是指计算机辅助工程，汽车CAE主要是指工程设计中的分析计算和分析仿真，其核心是基于现代计算力学的有限单元分析技术[1]。本文以某皮卡车发生引擎盖开裂问题为例，探讨CAE分析在汽车引擎盖优化设计中的应用。

1 问题描述

现以某皮卡车行驶28 000 km发生引擎盖开裂问题为例，探讨CAE分析在解决实际问题中的应用。该车引擎盖开裂示意图如图1所示。

对于引擎盖断裂问题，常见原因为共振和强度不足。从振动方面考虑，可能是由于与某一频率激励发生共振，一般参考汽车怠速频率（25 Hz）;从结构上分析，发现开裂位置处于凹槽处，该处应力集中，且位于引擎盖后侧，刚度较小，应力也相应较大。因此，针对该问题，同时从模态分析和强度分析两个方面入手，并参考竞品车型数据进行分析。

2 CAE分析在解决实际问题中的应用

2.1 建立模型

引擎盖质量（不带铰链及隔热垫）为14.84 kg。对引擎盖建立有限元模型，在进行强度分析时，铰链和锁扣采用3D实体建模;焊点用RIGID单元模拟，胶体用3D实体单元模拟，建立的有限元模型见图2，各零部件材料参数见表1。

2.2 模态分析

模态分析是求解结构的各阶固有频率及其对应的振型。固有频率表征其结构的动态特性，是系统运动方程的特征值。固有频率是结构本身的固有特性，与外界载荷无关，所以自由模态计算没有任何边界条件。自由模态计算结果如表2所示。

为了进一步解析问题，对故障车引擎盖进行应变能密度分析，应变能密度结果见图3。从图3可知，第一阶和第二阶模态中引擎盖左右两侧折弯线与中部靠近前挡风玻璃棱边凹槽应变能密度较大，由此可判断引擎盖后端中部开裂问题应与第一阶和第二阶振动有关。

2.3 强度分析

在发罩关闭状态时，约束前端罩锁X向和Y向自由度，约束后端引擎盖铰链与车身连接处X向、Y向和Z向3个方向自由度，整体加载冲击加速度及约束工况见图4。

应力分析结果见表3，故障车型在垂直冲击/急转弯/制动三种工况下，应力结果均远大于竞品车型，故后续方案优化设计应重点考虑降低应力。

中间凹槽处由于冲压造成减薄，本分析中不做考虑;两端铰链加强板焊接位置由于焊点造成应力集中，且分析可能是在中部开裂后造成的弯曲开裂，本分析中也暂不考虑[2]。

2.4 优化设计

2.4.1 方案分析。针对上述问题，研究者制定了6种优化方案。接下来，从模态分析和强度分析两个方面同时入手，并参考竞品车型数据，对6种优化方案进行分析，从而判断最优方案。

方案1：引擎盖后端增加加强筋a，该方案增加截面刚度27%，见图5。

方案2：引擎盖后端增加加强筋b，该方案增加截面刚度4%，见图6。

方案3：引擎盖后端增加加强筋c，该方案为分段加强，见图7。

方案4：增加内板厚度，由0.6 mm增加至0.7 mm。

方案5：取消凹槽，见图8。

方案6：取消凹槽并增大后端截面宽度。该方案是方案5的补充方案。增大引擎盖后端截面宽度不仅能减小应力，还可增大模态频率

2.4.2 方案结果。各方案应力与模态分析结果见表4。

通过上述结果可以看出，以上6种方案仅有第5、6两种方案可行。方案5不仅优化了应力分布，而且在一定程度提高了模态频率，减小了共振概率。因此，综合判断，建议取消凹槽。第6种方案是第5种方案的补充，其在应力改善上非常明显，主要优势是整体刚度提高较为明显，可承受更大的激励频率范围。

但是，方案5和方案6均需要修改引擎盖内板模具，模具费投资较高。

前4种方案虽不能使结构满足设计要求，但方案1和方案4对原结构优化比例相对较大（≥30%），且不需要修改引擎盖内板模具，因此，也将方案1和方案4作为备用选择，或者进行组合选择。

对方案1和方案4进行灵敏度分析，表5为增加加强板灵敏度分析结果;表6为内板优化灵敏度分析结果。

从上述结果可知，内板厚度虽然对厚度的灵敏度较大，但加强板a对质量的灵敏度更大，因此可增加一定厚度的加强板a。考虑到焊接质量问题，可采用1.2 mm厚的加强板，该方案可做备用选择[3]。

3 結论

后端中部凹槽处开裂，主要是应力集中造成的，应力值为62.5 MPa，虽远低于材料屈服极限，但明显大于竞品车结构的应力值，考虑到实际工况可能更加恶劣，必须进行优化。通过分析可知：第一，消除凹槽（方案5）可以确保消除开裂问题，但修模费用高;第二，增大引擎盖后端截面宽度（方案6）可以在降低应力值的同时提高整体刚度，承受更大的激励频率范围，但修模费用更高;第三，在后端增加加强板a（方案1）也可在一定程度改善开裂问题，并且不需要修改模具，可做备用选择;第四，增加内板料厚（方案4），可在一定程度改善开裂问题，且不需要修改模具，但成本增加，也可做备用选择。

考虑到成本、投资及改善效果，最终采用方案1，既能有效改善开裂问题，又不需修改模具，且成本较低。

参考文献：

[1]王彦伟，郑英.有限元法在车身设计中的应用[J].机械设计与制造，2001（5）：42-44.

[2]张然治.疲劳试验测试分析理论与实践[M].北京国防工业出版社，2011：148-154.

[3]张洪武.有限元分析与CAE技术基础[M].北京：清华大学出版社，2004：124-156.