基于行人头部保护的某SUV发动机罩模态分析

邢艳云， 于 波， 吕晓江

(1. 天津职业技术师范大学 汽车与交通学院， 天津 300160； 2. 中国汽车技术研究中心， 天津 300162； 3. 浙江吉利汽车研究院有限公司， 浙江 杭州 311228)

欧洲新车安全评价体系(EuroNCAP)是世界公认的汽车安全权威评价体系[1]，获得高分星级评价是各主要汽车厂商的重要设计目标之一.某SUV在EuroNCAP五星开发过程中为了满足行人保护性能要求[2]将发动机罩(以下称发动机罩)内板更换，更换发动机罩后的车型满足EuroNCAP安全行人保护五星开发要求[3-4]，但更换后的发动机罩内板是否满足其他方面的要求，例如NVH、刚度、强度等性能要求，需要进一步验证[5].

随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助试验(CAE)在汽车工业中的应用也越来越广泛，使用CAE方法进行模态分析基本可以替代试验方法，CAE分析在缩短产品开发周期、提高产品性能、质量和可靠性、降低产品成本等方面，起到决定性作用.

本文使用Hyperworks软件建立更换发动机罩内板前后发动机罩有限元模型[6]，使用Nastran软件对更换前后发动机罩内板进行模态分析，对比两者之间的差距，研究更换发动机罩内板前后固有模态变化，验证新发动机罩是否满足NVH性能.

1 发动机罩有限元模型的建立

建立发动机罩的有限元模型，就是根据所研究问题的具体情况，选择合适的有限元单元，对发动机罩结构进行数学离散化，给模型赋予合适的材料属性，进行边界条件模拟，由相关经验积累可知，模态计算结果基本与试验吻合，误差很小，相关的计算结果可以作为参考指导.

出于加工、装配等工艺需要,发动机罩有很多细小的结构特征.这些特征大多尺寸很小，如果进行精确建模，将使得单元尺寸变小、数目增多.这样一方面小的单元尺寸会违背单元的厚度应远小于单元的边长的壳单元理论的基本假设，另一方面单元数目的增多，对计算机软件和硬件设备也提出了更高的要求，且需耗费更多的计算时间.由于这些特征对整体结构的性能影响很小，因此建模时进行了简化，简化如下：

(1)删除了较小的让位台阶和过渡圆角.

(2)接头位置结构通常偏离规则的几何形状，多为翘曲很大的过渡结构.对这类结构用尺寸较小的、比较规则的几何形状进行拟合，用三角形单元和四边形单元进行手工划分单元网格.

(3)删除孔径(不包含螺母)小于5mm的工艺圆孔，有利于划分单元网格、简化建模，并且可以保证较高的计算精度.

1.1 单元尺寸的选取

根据计算时间与计算结果准确性之间关系，本文选用的网格尺寸大部分为10mm×10mm，所建立的部分结构及整体结构有限元网格模型如图1和图2所示.

1.2 单元形状的选取

在建立发动机罩的详细模型时，考虑其力学特性，选用壳单元，该单元以四边形单元为主，同时有适当的少量比例的三角形单元.

1.3 网格质量的控制

图1 优化前发动机罩有限元模型

图2 优化后发动机罩有限元模型

选用网格时，网格布局要合理，过渡平缓，稀疏适当才能得到质量高的单元，有利于后续的有限元分析.本文选用的网格质量标准如图3所示.

图3 网格质量标准

图4 胶粘模拟方式示意图

图5 胶粘材料示意图

1.4 网格分布

网格的分布要求是采用尽量少的单元数目达到满意的模拟效果.因此，只在应力的高梯度区采用较细密的网格.

1.5 连接方式的模拟

发动机罩内外板之间采用胶粘的连接方式，内板加强板通过螺栓连接与焊接的方式将其固定在内板上，内外板之间通过包边的形式连接在一起.

1)胶粘模拟

发动机罩内外板之间主要通过胶粘方式连接，胶粘模拟方式对结果有较大的影响，本文根据以往的工程经验，胶粘连接模拟方式如图4所示.胶粘材料如图5所示.胶粘厚度采用体单元方式实现.

2)焊点螺栓模拟

发动机罩内外板与其加强板之间主要采用焊接与螺栓固定的方式，内外板与其加强板之间由于焊点较少，使用REB2单元模拟焊点与cweld差别不大，因此文中使用REB2模拟焊点与螺栓连接(图8，图9).

图6 原车型胶粘模拟示意图

图7 优化后车型胶粘模拟示意图

图8 改进车型焊点与螺栓模拟示意图

图9 原车型焊点与螺栓模拟示意图

3)包边模拟

发动机罩内外板包边采用节点耦合的方式实现，最外侧包边部分材料使用发动机罩外板代替，厚度为一层内板厚度与两层外板厚度之和(图10).

图10 发动机罩包边模拟示意图

2 发动机罩模型模态分析

2.1 发动机罩模态模拟计算

本文采用有限元结构分析和优化软件Nastran对发动机罩模型进行求解，其计算结果如图11所示.

(a) 原车型一阶模态振型云图

(b) 改进车型一阶模态振型云图

(c) 原车型二阶模态振型云图

(d) 改进车型二阶模态振型云图

(e)原车型三阶模态振型云图

(f) 改进车型三阶模态振型云图

(g)原车型四阶模态振型云图

(h) 改进车型四阶模态振型云图

(i)原车型五阶模态振型云图

(j) 改进车型五阶模态振型云图

(k)原车型六阶模态振型云图

(l) 改进车型六阶模态振型云图图11 发动机罩第N阶振型云图对比示意图

2.2 结果分析

优化前后发动机罩模态对比见表1.

表1 优化前后发动机罩模态值对比表

优化前固有频率为46Hz，优化后固有频率为40Hz，固有频率降低的主要原因是为了满足行人保护要求，降低了发动机罩的刚度.根据参考文献[7]可知，对于四缸发动机，一个周期内有两次主要激振，其激振主要为二阶激振，当发动机转速介于600r/min～900r/min时，发动机二阶激振频率介于20Hz～30Hz之间，可见优化后的发动机罩固有频率远高于发动机怠速激振频率，不会与发动机产生共振，优化后的发动机罩能够同时兼顾EuroNCAP行人保护头部五星性能与NVH模态性能[8].

3 结束语

本文使用Nastran软件对发动机罩有限元模型优化前后进行模态分析，得到优化前后发动机罩前6阶模态值.结果表明，优化后的发动机罩内板能够在满足 EuroNCAP行人头部保护性能前提下避开发动机二阶激励，满足NVH模态要求，优化结果能为SUV车型内板性能提升、优化改进设计提供参考.

[1]European New Car Assessment Program(EuroNCAP)[S]. Pedestrian Testing Protocol, Version 5.2,2010.

[2]GB/T24550-2009 汽车对行人的碰撞保护保护[S].

[3]邢艳云, 于波, 吕晓江, 等. 基于EuroNCAP行人头部保护的某SUV建模、验证与优化[J].汽车技术, 2013(04):38-41.

[4]潘作峰, 单勇, 鞠伟. 行人头部碰撞过程分类及控制方法研究[C]//第14届汽车安全技术学术会议. 北京: 中国汽车工程学会, 2011:134-139.

[5]余本善. 汽车发动机罩模态和刚度的分析及优化[J]. 机械制造, 2010(09):16-18.

[6]于开平, 周传月, 谭惠丰, 等. HyperMesh从入门到精通[M]. 北京: 科学出版社, 2005:190-204.

[7]庞剑, 谌刚, 何华. 汽车噪声与振动[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2006: 119-124.

[8]张丰利, 雷明准, 陈剑, 等. 某SRV发动机罩模态分析及频率优化研究[J]. 汽车技术, 2008, 393(6):1-4.