關于機蓋總成外觀凹陷的研究與優化

孫靜瑤，張遙，劉春陽

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

前言

隨著汽車在我國的迅速普及，汽車市場競爭日趨激烈，如何縮短產品整改周期，降低開發成本，對設計人員提出了更高要求，CAE技術的應用，能夠使設計問題提前暴露，減少設計問題在試制、生產階段發生的概率，降低產品開發損失。本文在設計階段，對發動機罩各項指標進行了定義，通過CAE軟件對發動機罩進行了系統分析，對設計結構進行改進及優化。

發動機艙蓋是保護發動機艙的主要零部件，對發動機艙起到防水、防塵、隔熱、降噪的作用，其造型也是整車外觀效果的重要部分，發動機艙蓋結構上要實現開啟和關閉，并在特定角度實現支撐停留，須具有一定的剛度，除此以外，發動機罩需滿足國家法規要求，實現安全碰撞、行人保護等功能，設計時必須綜合考慮。因此發動機罩結構性能的優良直接影響整車的被動安全性與乘坐舒適性，對于發動機艙蓋的設計要求是剛性強、質量輕、隔熱效果好。

1 發動機罩問題分析

本文結合生產開發過程，對三項相互制約的指標進行研究解決。⑴生產階段，在發動機罩間隙面差調整過程中，機蓋關閉狀態下存在外板光影不順。機蓋外板受鎖鉤向下的拉力，機蓋膠堵向上的支撐力，在機蓋橫向剛度不足時，會產生微小凹陷，影響整車視覺效果，降低車主對車輛的品味，需要分析內外板整體強度；⑵車輛在高速行駛時機蓋外板受空氣阻力影響，造成機蓋外板內外壓差，外板產生凹陷，車主會對此問題產生抱怨，需要進行發動機蓋掌壓分析，加強機蓋外板支撐；⑶根據CNCAP法規要求，車輛在與行人產生碰撞時，發動機罩應保護行人減緩行人傷害，需要弱化機蓋外板的強度；三個指標相互制約，一個指標的調整影響其它兩個指標的達成，針對不同設計結構及方案，本文用CAE軟件評估出最優設計方案，完成對發動機蓋的理論設計。

對發動機蓋強度及行人保護影響因素進行分析，主要包括發動機罩外板、發動機罩內板、鎖扣加強板、鎖扣連接板，各零部件通過焊點、折邊膠、膨脹膠相互連接；支撐部件有發動機罩鉸鏈、機罩鎖、發動機罩氣動撐桿、緩沖膠堵、機艙密封條；周邊部件有塑料水箱框架、前組合燈、翼子板、翼子板支架、機艙飾板；本文發動機罩CAD模型 見圖1，支撐部件及周邊部件做為邊界條件在CAD模型上建立約束。同時，為保證造型及總布置要求，對其它強相關的影響因素，如機蓋外板到水箱框架距離、機蓋外板到發動機距離不進行調整。

2 發動機罩有限元模型的建立

發動機罩有限元分析模型中鈑金件采用殼單元網格劃分，忽略直徑小于 5mm 的圓角，忽略直徑小于 5mm 的圓孔，用于結構連接的孔，在圓心處生成節點。各部件之間點焊采用FASTENER模擬，螺栓連接采用MPC 單元模擬，有限元模型見圖2：

圖1 發動機艙蓋CAD模型

圖2 發動機艙蓋有限元模型

對材料的彈性模量、剪切模量、泊松比、密度進行特性設置，如表1：

表1 材料特性

3 發動機罩邊界條件及目標值設定

機蓋鎖扣對外板凹陷分析邊界條件設置如下，機罩鉸鏈處約束全部自由度，緩沖塊處約束Z向自由度，在鎖扣處施加200N的集中力，計算機蓋外板位移量。

機蓋外板抗凹陷分析邊界條件設定如下，約束發動機罩外板邊緣節點所有自由度，根據發動機罩內外板結構，選取機蓋外板的薄弱區域，參考人手部模型尺寸，將載荷設置為40mmX25mmX6mm的橡膠塊，延垂直于外板表面依次施加100N、225N的力，然后進行卸載，計算外板100N載荷的最大位移量、225N卸載后的殘余變形量。

行人保護機蓋分析設定，將機蓋劃分成左、中、右等分的 3個區域，測試區域內的測點間距 100mm ，針對機蓋前端的9個點（見圖3）：

圖3 機蓋前端行人保護頭部撞擊點

模型仿真假人頭部以35 km/h 的速度，按照65°的方向撞擊發動機蓋，分析撞擊點的最大加速度值、持續時間，得出HIC值。

發動機罩目標值設定，詳見表2：

表2 設計目標值及CAE分析

4 CAE分析及優化

分析結果顯示，機蓋鎖鉤引起外板變形量、100N的最大變形量、行人傷害值均不滿足設計目標要求（見表2）。從整車角度初步分析分析，整車機蓋外板造型，機蓋外板料厚0.65mm，機蓋內板料厚0.6mm，不做優化，對機蓋內板結構，鎖扣加強板與鎖扣連接板結構進行調整。

結合發動機罩CAE應力云圖，選定發動機罩結構中的三個關鍵尺寸（圖4）作為影響因素進行優化：1）鎖扣連接板上涂膠槽與內板涂膠槽間距 304mm，外板無支撐區域跨度大，是外板抗凹陷剛度低于目標值因素之一；2）主鎖位置內表外板最小間隙 28mm，潰縮空間小，是行人保護不滿足要求主要因素；3、機蓋內板鎖鉤后邊界行人保護五個潰縮孔消弱了機蓋橫向剛度，是外板凹陷剛度低于目標值的另一因素。

圖4 機蓋結構影響因素

圖5 發動機艙蓋優化方案

針對三個影響因素，制定了三個技術方案：方案一、①橫向加大鎖扣加強板，提升機蓋內板橫向剛度，并增加加強筋、翻邊，②橫向加大鎖扣連接板，增設涂膠槽，③將機蓋內板鎖扣平面Z向降低，增大與外板的潰縮空間；方案二、①機蓋內板兩側減重孔前移加大，支撐外板涂膠槽前移，潰縮孔Z向減短，增加橫向臺階，②取消鎖扣連接板，鎖扣加強板增加支腿，支撐外板；方案三、①機蓋鎖前移，分體鎖改為一體鎖，②機蓋內板四個減重孔加大，支撐外板涂膠槽前移，潰縮孔Z向減短，增加橫向臺階，③鎖扣連接板支撐外板的支腿移到成人頭型試驗的發動機罩前沿基準線以外區域，弱化區域內支腿強度。

根據三種技術方案完成數據模型搭建（見圖5），對數據模型進行CAE分析，結果見表3，方案三各項指標均滿足要求；方案一鎖閉時外板變形量偏大，行人保護傷害值偏高，繼續加強或減弱均不能滿足要求，方案二外板抗凹性高于目標值，繼續優化需加強支撐結構，方案二、三行人保護滿足要求，但傷害值處于臨界狀態，不在對方案二繼續優化，根據分析結果選擇方案三進行產品開發。

表3 發動機蓋CAE分析結果

5 試驗驗證

對開發完成的產品進行試驗驗證，機蓋行人保護得分12.9，滿足 CNCAP整體評分要求；對機蓋外板進行剛度試驗，試驗過程選取機蓋前端薄弱區域進行加載，繪制載荷—位移曲線圖（圖6），計算鎖鉤區域剛度值20.12N/mm，滿足設計要求；在機蓋鎖閉整車狀態進行光影分析，完成機蓋周邊間隙面差調整，無光影扭曲現象；

圖6 機蓋外板載荷—位移曲線

通過本車型開發，發動機罩總成DVP試驗均達到指標要求，在滿足產品性能同時，減少了產品后期整改。

6 總結和結論

發動機罩是設計階段指標爭議較普遍零部件之一，本文采用的將機蓋內板行人保護潰縮孔與加強筋串聯布置，根據發動機罩前沿基準線設計支撐結構的設計形式，在未增加零部件數量，提升了結構零部件強度，并減輕了結構件重量，可作為后期產品設計的參考。

發動機罩行人保護、機蓋剛度的矛盾與產品結構布置有很大關系，歐系車型把機蓋鎖布置到機蓋兩側，或在造型階段抬高機蓋外板型面，均能滿足目標要求，但會造成單車成本增加，開發周期延長。

發動機罩 CAE分析對設計階段多方案評估提供了理論判定依據。

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