摘 要：本文首先對某一款轎車前艙蓋總成進(jìn)行有限元分析，采用HyperMesh/OptiStruct對不合格項(xiàng)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，最后利用MeshWorks軟件對內(nèi)板加強(qiáng)筋進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)及分析，找到影響前艙蓋剛度的主要因素。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在提升模態(tài)剛度的同時(shí)減輕了重量。
　　關(guān)鍵詞：前艙蓋 有限元分析 拓?fù)鋬?yōu)化 參數(shù)化
　　0 概述
　　汽車前艙蓋總成是汽車的重要組成部分，它既起到空氣導(dǎo)流作用，又保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)及周邊管線配件等，還可以充分防止沖擊、腐蝕、雨水以及電干擾等不利影響，它在結(jié)構(gòu)上一般由外板和內(nèi)板組成，內(nèi)板起到增強(qiáng)剛度的作用，屬于一種骨架式結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中要求前艙蓋總成模態(tài)和剛度滿足實(shí)際需要且質(zhì)量最輕，否則影響車輛的整體安全性與NVH性能。
　　鑒于前艙蓋總成在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中的重要性，本文主要通過有限元分析方法，利用HyperMesh建立有限元離散模型和前處理工作，采用有限元求解器進(jìn)行計(jì)算求解。通過分析結(jié)果對比，利用OptiStruct與MeshWorks軟件在不改變前艙蓋整體外形的情況下對前艙蓋總成進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并運(yùn)用有限元求解器對最終優(yōu)化后的前艙蓋進(jìn)行抗凹性能檢驗(yàn)。
　　1 模型概況
　　前艙蓋總成有限元模型以鈑金件為主，模型主要采用殼單元和實(shí)體單元進(jìn)行建模：其中殼單元總共25189個(gè)，實(shí)體單元9440個(gè)。前艙蓋鈑金件之間的連接主要采用CWELD單元、RBE2單元、膠單元及節(jié)點(diǎn)重合等，鉸鏈銷軸則采用CBEAM單元模擬。前艙蓋總成質(zhì)量為17.5kg，模型的材料屬性見表1-1，其中前艙蓋總成結(jié)構(gòu)有限元模型如下圖1-1所示。
　　


　　


　　2 模型分析
　　2.1前艙蓋的約束模態(tài)分析
　　主要通過約束前艙蓋鎖以及鉸鏈安裝點(diǎn)處的自由度，模擬前艙蓋固定在車身上的鎖止?fàn)顟B(tài)從而計(jì)算其約束模態(tài)，計(jì)算結(jié)果見表2-1所示，其位移云圖與應(yīng)變能云圖見圖2-1、2-2所示。從分析可知第一階約束模態(tài)較低不滿足設(shè)計(jì)要求。
　　


　　2.2前艙蓋剛度分析
　　剛度分析主要考察六種工況：（1）扭轉(zhuǎn)剛度1（約束前艙蓋鎖）；（2）扭轉(zhuǎn)剛度2（約束緩沖塊）；（3）橫向剛度；（4）內(nèi)板側(cè)梁中點(diǎn)處側(cè)梁剛度；（5）前梁剛度；（6）后梁剛度。剛度分析考察點(diǎn)位置如圖2-3所示，考察不同位置點(diǎn)處在不同工況與不同載荷下的抵抗變形能力。由計(jì)算結(jié)果表2-2可知六種剛度分析中前艙蓋總成橫向剛度不滿足要求。
　　


　　3 前艙蓋內(nèi)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析
　　由上面分析可知本前艙蓋總成約束模態(tài)與橫向剛度均不滿足設(shè)計(jì)要求，且前艙蓋總成質(zhì)量較重，需要對前艙蓋總成進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。對于前艙蓋總成來說，外板及鉸鏈的形狀一般不可以改變，可以對其他組成件優(yōu)化，包括其形狀和材料厚度。本文在保證前艙蓋總成外板形狀不變的情況下，對前艙蓋內(nèi)板及加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和減重設(shè)計(jì)。現(xiàn)實(shí)中，前艙蓋內(nèi)板結(jié)構(gòu)多種多樣，這里僅考察內(nèi)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對前艙蓋總成模態(tài)與剛度的提升影響，具體方法如下：
　　方案一：根據(jù)上面分析中的應(yīng)變能分布以及實(shí)際情況，對內(nèi)板加強(qiáng)筋進(jìn)行部分修改，如圖3-1所示，模型質(zhì)量為16.9kg計(jì)算結(jié)果如表3-1所示，其模態(tài)分析應(yīng)變能云圖見圖3-2所示。由計(jì)算可知其一階模態(tài)與橫向剛度依舊不滿足設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
　　


　　


　　


　　從表3-2計(jì)算結(jié)果可知，加強(qiáng)筋寬度以及內(nèi)板側(cè)邊梁寬度對前艙蓋的模態(tài)及橫向剛度影響較大，且影響趨勢在設(shè)定的參數(shù)化范圍內(nèi)并不是線性變化的。于是，對參數(shù)化方案進(jìn)行組合優(yōu)化，得到最終的加強(qiáng)筋的尺寸設(shè)計(jì)方案如圖3-6所示。最終的設(shè)計(jì)方案對部分零件的料厚進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，最終狀態(tài)的前艙蓋總成質(zhì)量為15.5kg，比原設(shè)計(jì)減輕約11.4%。其模態(tài)剛度計(jì)算結(jié)果如表3-3所示。
　　


　　由表3-3可知，方案二在減重與模態(tài)剛度分析中結(jié)果較為理想，其一階模態(tài)與剛度均基本滿足設(shè)計(jì)要求，且在減重上比其他方案較為理想，故最終選定為設(shè)計(jì)方案。再對方案二進(jìn)行抗凹性能驗(yàn)證，其驗(yàn)證取點(diǎn)位置如圖3-7所示，其抗凹分析結(jié)果見表3-4所示，其抗凹性均滿足強(qiáng)度要求，但其抗凹性能與行人保護(hù)頭部碰撞分析有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。
　　


　　4 結(jié)論
　　通過對前艙蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析找到了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，該方案可使前艙蓋總成模態(tài)提高18%，側(cè)向剛度提高26%，前艙蓋總成重量減輕11.4%。且優(yōu)化后的前艙蓋總成抗凹性能滿足設(shè)計(jì)要求。本優(yōu)化方法可以對前艙蓋總成設(shè)計(jì)產(chǎn)生積極的指導(dǎo)作用，在設(shè)計(jì)初期可以大大節(jié)約新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)資源，并提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]
　　韓旭，朱平，余海東，等. 基于剛度和模態(tài)性能的轎車車身輕量化研究[J]
　　. 汽車工程，2007，29(7).
　　[2]
　　李劍，蔡軍. 長安汽車輕量化探討. 長安科技2001年第7卷第4期，15-18.
　　[3]
　　張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，李楚林. 基于Hyperworks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù). [M]北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2007.10.
　　[4]
　　隋允康，杜家政，彭細(xì)榮編著.MSC.Nastran有限元?jiǎng)恿Ψ治雠c優(yōu)化設(shè)計(jì)使用教程 [M].北京：科學(xué)出版社，2004.
　　[5]于開平，同傳月，潭惠豐等.HyperMesh 從入門到精通。[M]北京，科學(xué)出版社，2005.(end)