CAE分析在汽车引擎盖结构设计中的应用

撰文/郑州日产汽车有限公司技术中心 汤　尧 兰天亮 王少伟



CAE分析在汽车引擎盖结构设计中的应用

撰文/郑州日产汽车有限公司技术中心 汤尧 兰天亮 王少伟

本文详细地介绍了汽车引擎盖在结构设计阶段所需要的相关CAE分析，对汽车引擎盖的结构设计方案给出了量化的评价依据。通过CAE分析，不但可以有效地缩短其产品设计周期，降低其设计开发及试验验证的相关费用，还可以为产品的结构改进和性能优化提供方向指导。

一、引言

汽车引擎盖是汽车前端模块中较为重要的组成部分，其作用不仅仅是保护发动机，还有着被动保护行人安全的作用。随着CAE和计算机技术的快速发展，越来越多复杂的非线性问题都可以通过CAE软件来模拟分析，使设计者可以客观地评价设计结果，为已设计产品的结构优化指出改善方向。

本文以CAE在某车型引擎盖结构设计中的具体分析为例，简述CAE在汽车引擎盖结构设计中的具体应用。

二、CAE分析在汽车引擎盖结构设计中的应用

本文利用Hyperworks软件对引擎盖总成采用壳单元进行网格划分，可得157000个单元。在安装螺栓孔位置和焊点处作RBE2 SPIDER连接，内外板粘胶处作一层solidmap实体单元。引擎盖的有限元分析模型如图1所示。

1.引擎盖安装变形分析

（1）约束和加载。

约束：在铰链安装螺栓孔处施加约束，限制X、Y、Z向移动自由度和X、Z向的转动自由度。在引擎盖前端缓冲块安装孔处限制X、Y、Z向移动自由度和X、Y、Z向的转动自由度。

图1　引擎盖的有限元分析模型

加载：在引擎盖锁插销处施加222N的力，并对引擎盖总成施加重力载荷。约束和加载模型如图2所示。

图2　引擎盖安装变形分析约束和加载模型

（2）分析结果。

通过计算可知引擎盖总成的安装最大变形量为0.74mm，满足设计要求（最大变形量＜3mm）。分析云图如图3所示。

图3　引擎盖安装变形分析云图

2.引擎盖边缘变形分析

（1）约束和加载。

约束：在铰链安装螺栓孔处施加约束，限制X、Y、Z向移动自由度和X、Z向的转动自由度。在引擎盖前端缓冲块安装孔处限制X、Y、Z向移动自由度和X、Y、Z向的转动自由度。

加载：分别在side beam和rear beam上施加222N的力，并施加重力载荷。约束和加载模型如图4所示。

图4　引擎盖边缘变形分析约束和载荷模型

（2）分析结果。

通过计算可知，在第一种工况下引擎盖边缘的最大位移量为1.21mm，在第二种工况下引擎盖边缘的最大位移量为0.25mm，满足设计要求（最大位移量＜10mm）。分析云图如图5所示。

图5　引擎盖边缘变形分析云图

3.引擎盖下拉变形分析

（1）约束和加载。

约束：在铰链安装螺栓孔处施加约束，限制X、Y、Z向移动自由度和X、Z向的转动自由度。在引擎盖中部缓冲块安装孔处限制X、Y、Z向移动自由度和X、Y、Z向的转动自由度。

加载：在引擎盖锁插销处施加222N的力，并对引擎盖总成施加重力载荷。约束和加载模型如图6所示。

（2）分析结果。

通过计算可知，最大应力约为152MPa，不会产生永久变形，满足设计要求。分析云图如图7所示。

图7　引擎盖下拉变形分析云图

4.引擎盖扭转刚度分析

（1）约束和加载。

约束：在铰链安装螺栓孔处施加约束，限制X、Y、Z向移动自由度和X、Z向的转动自由度。在引擎盖右前缓冲块安装孔处限制X、Y、Z向移动自由度和X、Y、Z向的转动自由度。

加载：在引擎盖左前缓冲块安装孔处的Z向施加180N的力，并对引擎盖总成施加重力载荷。约束和加载模型如图8所示。

图8　引擎盖扭转刚度分析约束和载荷模型

（2）分析结果。

通过计算可知，Z向的最大位移约为10.63mm，引擎盖x向力臂长490mm，故计算出扭转角θ=arctg（dz/x）=1.24°，而加载点的扭矩为180N×0.49m=88.2Nm，故扭转刚度为88.2/1.24=71Nm/deg。分析云图如图9所示。

图9　引擎盖扭转刚度分析云图

5.引擎盖冲击分析

（1）约束和加载。

约束：在铰链安装螺栓孔处施加约束，限制X、Y、Z向移动自由度和X、Z向的转动自由度。在引擎盖前端缓冲块安装孔处限制X、Y、Z向移动自由度和X、Y、Z向的转动自由度。

加载：对引擎盖总成施加4倍的重力加速度。约束和加载模型如图10所示。

图10　引擎盖冲击分析约束和载荷模型

（2）分析结果。

通过计算可知，在4倍的重力加速度作用下，引擎盖总成的最大位移为5.804mm，满足设计要求（最大位移量＜10mm）。分析云图如图11所示。

图11　引擎盖冲击分析云图

6.引擎盖手掌压痕分析

（1）约束和加载。

约束：在铰链安装螺栓孔处施加约束，限制X、Y、Z向移动自由度和X、Z向的转动自由度。在引擎盖锁扣处限制X、Y、Z向移动自由度和X、Z向的转动自由度。

加载：对引擎盖总成的中间100×100mm的区域上施加450N的力。约束和加载模型如图12所示。

图12　引擎盖手掌压痕分析约束和载荷模型

（2）分析结果。

通过计算可知，手掌附近区域最大MISES应力为94.5MPa，满足设计要求（最大MISES应力＜180MPa）。分析云图如图13所示。

7.引擎盖凹陷刚度分析

（1）约束和加载。

约束：在铰链安装螺栓孔处施加约束，限制X、Y、Z向移动自由度和X、Z向的转动自由度。在引擎盖锁扣处限制X、Y、Z向移动自由度和X、Y、Z向的转动自由度。

加载：对引擎盖总成的后端75×75mm的区域上施加90N的力。约束和加载模型如图14所示。

图13　引擎盖手掌压痕分析云图

图14　引擎盖凹陷刚度分析约束和载荷模型

（2）分析结果。

通过计算可知，引擎盖最大位移量为0.0824mm，满足设计要求（最大位移量＜6.35mm）。分析云图如图15所示。

图15　引擎盖凹陷刚度分析云图

8.结论

根据以上分析可知，CAE对引擎盖所作的相关分析，均满足设计要求。

四、结语

本文对引擎盖结构设计中需要作的CAE分析项目作了详细说明，为引擎盖结构设计方案验证提供了一种很好的方法。通过所述项目的CAE分析，可以避免其在结构设计阶段方案验证不足造成后期试装、评价时问题再现所产生的应对周期长、费用高等问题，为其结构改进和优化提供量化的依据。