轿车发动机罩盖坚固安全性能评价验证方法

傅绍晨+唐钊+郑卫宁+郭蓓

摘 要：通过CAE分析确定轿车在最大速度行驶，或者在高速行驶状态下与大型卡车交汇时轿车发动机罩盖所收到的空气动力学载荷的大小与分布，并通过物理实验对机罩坚固安全性进行考核，从而确定发动机罩盖的坚固安全性能是否达标。

关键词：CAE；机罩安全性；坚固安全性能

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）05-0025-05

Experimental method for evaluating the safety performance of hood

FU Shao-chen， TANG Zhao， ZHENG Wei-ning， GUO Bei

（ Dong Feng Peugeot Citroen Automobile Co.，Ltd， Wuhan 430056， China ）

Abstract： Through the CAE analysis to determine the car traveling at maximum speed， or the intersection with large trucks at a high speed， the size and distribution of the aerodynamic load of car engine hood received， and through the physical experiment of strong safety hood assessment， so as to determine the engine cover strong safety performance standards.

Key Words： CAE； Hood safety performance； aerodynamics

1 前言

轿车在最大速度行驶的状态下，或者高速行驶时与高速行驶的大型卡车交汇时，发动机罩盖会受到很大的上升气流的冲击，有可能造成发动机罩盖的内外板脱胶损坏，甚至翻起，从而威胁到轿车的行驶安全。发动机罩盖必须拥有足够的坚固性，才能够避免以上状况的发生。所以汽车发动机罩盖坚固安全性能作为轿车安全性能的一个关键项，越来越受到各大汽车制造商的重视。

而利用实车进行相关试验花费昂贵，而且比较危险，本文提出一种替代实车实验的实验方法。本文在CAE模拟计算的基础上，利用物理实验对发动机罩盖的坚固安全性能进行实验，从而保证发动机罩盖的坚固安全性能达标，规避安全风险。

2 仿真计算

轿车最大速度行驶，或者高速行驶时与大型卡车交汇所受到的空气载荷的大小，以及载荷的方向是不相同的，但计算时边界约束条件以及车内部自身产生的阻力载荷大致是相同的。

2.1 轿车以最高速度行驶时的空气载荷

一、边界约束条件

发动机罩盖铰链固定页板嵌入到车身上的相应支撑区域 ，铰链安装孔完全约束。机罩锁扣嵌入到啮合点，约束3个方向的平移： Tx，Ty，Tz，机罩周围环境件与车身相结合的地方都进行全约束，如图1所示，三角形的位置就是进行约束的位置。

二、载荷加载

载荷力由两部分构成：（1）发动机罩盖表面上的外部力（2）发动机罩盖表面下的内部反作用力。发动机罩盖外表面载荷的加载，在高速（这里使用160km/h）与卡车交汇工况时气流的入射角为0度 ，Vmax工况下气流的入射角为10度，载荷加载示意图如下图2所示：

将入射气流在流体软件（CFD）中进行处理，得出的流体载荷分布导入hyperworks，得出外部力在外板上的的投影，如下图3所示：

机罩内部反作用力表示发动机舱内部诱发出的空气阻力，反作用力的数值不是由计算得来，而是根据风洞试验测量，或者根据流体动力学数据库查询得来，图4为某款车型的发动机罩盖内部诱发的空气阻力分布。

虽然实验时机罩处于开启状态，但是由于流体压力场是封闭的，所以在计算时机罩还是处理为关闭状态。

2.2 轿车以最高速度与卡车交汇时的空气载荷

这种工况是对轿车与重型车的交汇的整车试验进行建模，该试验模拟的是汽车高速行驶下（160km/h）与以90Km/h速度行驶的重型车反向会车是，机罩受到的。

一、边界约束条件

边界条件与轿车高速行驶的工况一致，唯一的差异是其前部固定是通过安全钩的界面来实现的，安全钩嵌在其钩挂点上，约束3个方向的平移： Tx， Ty， Tz，如图5所示：

二、载荷加载

与轿车高速行驶一样，载荷力由两部分构成：（1）机罩表面上的外部力（2）机罩表面下的内部反作用力。机罩外表面載荷的加载，气流的入射角为10度。内部反作用力来自于实验测量或者数据库提供。由于气流压力场是封闭的，所以计算时机罩处理为关闭状态 。

2.3 气动载荷的重新输入

利用计算软件hyper works将轿车发动机罩盖受到的冲击载荷导出，结果如下图六所示，可以看出发动机罩盖受到气流载荷最大的区域。为了便于物理实验的展开，需要将分布在整个机罩上的载荷经过换算，利用在气流载荷最大区域上的一个载荷来进行等效替换。

公式①表示单位面积上的机罩所受到的气动载荷，其中Selem表示单元迎风面积，KPmoy表示空气阻力系数，ρ表示空气密度，V0表示轿车相对空气的速度。公式②表示机罩所受气动载荷的总和。

3 物理实验验证

CAE计算出发动机罩盖气动载荷的等效力值，力的方向与力的作用点，根据此进行相对应的物理实验，从而确定发动机罩盖组成件（外板，内板，锁扣加强板等）以及其连接（焊点、填充点、包边、胶条等）在气流影响下的安全强度性能。endprint

3.1 实验前的准备

准备一个带铰链的考核发动机罩盖，最好为白色以便摄像和拍照，检查发动机罩盖的完整性和焊点符合性（包括涂胶、包边、焊点强度等）。

准备一块边长120mm左右的正方形金属板，该金属板的强度应远大于发动机罩盖内外板的强度，为保证不影响实验的进行该金属板的厚度应控制在5mm左右。

使用铆枪将金属板用6个间距最少为50mm的铆钉固定，铆钉均匀分布于发动机罩盖内板带的两侧，且铆钉不能穿过发动机罩盖内板；金属板定位于等效发动机罩盖气动载荷的地方。

实验前将各种传感器进行标定，以确保实验的精度。

3.1.1 发动机罩盖的固定

为保证实验的精确度，实验时发动机罩盖需按下列要求进行固定：

将带铰链的发动机罩盖与一个刚性垂直的工装连接，铰链上的紧固件须按照最小拧紧力矩打紧。

使用角度测量仪将机罩倾斜角度α（α=机罩在关闭状态下，铰链固定页板与活动页板之间的夹角，由试验申请者根据不同车型的要求提供），并固定。

将力传感器倾斜，使其受力方向在发动机罩盖中垂面上并垂直于发动机罩盖锁扣。牵引力方向与水平面成β向上（β=机罩在关闭状态下，铰链固定页板与水平面之间的夹角）。图7所示为机罩固定的示意图。

3.2 进行实验

如图8所示，将施力工具与金属板挂钩连接并施加力值，施力方向沿机罩外表皮空气动力方向，力值逐渐增加，建议施力速度为0.5 mm/s；工具与金属板的连接不能导致在机罩上产生力矩。

如图9所示，机罩锁扣与力传感器通过连接杆刚性连接，依据α的大小调节连接杆的位置使其与锁扣固定。

持续增加载荷直至机罩内外板分离（从首次脱胶至机罩内外板完全分离）或达到试验要求的力值。

试验过程中使用照片或视频记录外板/内板每个胶条的撕开。

记录锁扣处力值与时间的曲线；记录施力点处的力值与位移变化的曲线。

3.3 实验数据的测量

试验前：设定系统测量参数以便输出曲线图

锁扣处产生的力值定义为F1

施力点的作用力定义为 F2

施力點处的位移定义为S

测量拧紧力矩

试验中：测量和记录相关试验参数

记录F1随时间的变化

记录F2随时间的变化

记录S随时间的变化

当增加负荷时，记录各个涂胶位置的脱落过程（照片或录像），标出铰链和锁扣销支架处的折痕，方便解释输出的曲线图和描述详细的失效情景。

3.4 实验数据的处理

根据试验测量的数据输出受力以及位移的曲线图，如下图10所示，并在图上标注出各脱胶阶段的说明。依据试验CAE中的计算结果判定试验结果是否合格。

4 结束语

本文在CAE仿真计算的基础上，运用物理实验对发动机罩盖的坚固安全性能进行验证，同时此方法周期短，实验便于实施，成本低，能够很好地对发动机罩盖的坚固安全性能进行考察，从而保证轿车在高速行驶，或与大型卡车交汇时遭遇巨大上升气流冲击时的安全性能，对提升整车的被动安全性能，保障乘员安全具有重要意义。

参考文献：

[1]《DPCA B38 0024-2016机罩拔脱力实验方法》.endprint