某SUV碳纖維發動機蓋結構仿真分析

黃小征 李飛 王帥 郭永奇

（華晨汽車工程研究院）

隨著復合材料技術的發展、原材料價格的降低、制造工藝的優化及成型周期的縮短，復合材料在汽車零部件上的應用越來越廣泛。特別是對于碳纖維復合材料（CFRP）來說，隨著碳纖維價格逐漸下降和復合材料制造工藝的成熟，各大主機廠紛紛進行碳纖維零部件的開發。預計到2030年，CFRP將成為汽車零部件輕量化的主流材料[1]。文章通過CAE軟件[2]仿真分析了某SUV電動車碳纖維發動機蓋的扭轉剛度、側邊中部剛度、中后部剛度及1階約束模態等各項性能指標[3-4]，結果表明CFRP的各項性能指標均能滿足目標值且優于鋼材，這不僅驗證了碳纖維材料替換的可行性，也為后續輕量化材料的推廣和應用提供了參考方向。

1 發動機蓋的總體設計方案

1.1 傳統發動機蓋結構

發動機蓋具有隔熱隔聲、自身質量輕及剛性強等優點。傳統發動機蓋采用低碳鋼的鈑金材料，發動機蓋主要由內外板、內部加強板、鉸鏈及鎖扣等組成，其中內板厚0.6 mm，外板厚0.7 mm。發動機蓋內外板與加強板間主要通過點焊、涂膠及包邊的連接方式組合成發動機蓋總成，發動機蓋總成與車身通過鉸鏈連接，圖1示出傳統發動機蓋結構示意圖。

1.2 碳纖維材料特性

碳纖維是一種力學性能優異的材料，它不僅具有碳材料的固有特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。CFRP具有其他材料不可比擬的比強度和比模量，其體積質量為1.45～1.6 g/cm3，這只是普通碳鋼的1/4～1/5，比常用的鋁合金還要輕1/3左右，而CFRP的機械性能優于金屬材料，其抗拉強度高于鋼材3～4倍，剛度高于鋼材2～3倍，極大地提高了零部件的抗凹性能。在同等條件下，也可以通過增加碳纖維零部件的截面厚度和高度，以使其滿足原鋼材結構的強度和剛度要求。

1.3 碳纖維發動機蓋結構

碳纖維發動機蓋的內外板采用CFRP，根據等剛度近似理論[5]，內板設計厚度為2 mm，外板設計厚度為1.6 mm。考慮到復材成型的工藝問題，各零件結構和連接方式應進行相應的簡化和調整。在結構方面，內板取消涂膠槽、加強筋及工藝孔，并優化切邊，如圖2所示（圖中所示的涂膠槽、加強筋、加強特征、工藝孔及切邊，表示的是優化前傳統發動機蓋的位置特征）。內部加強板根據內外板狀態重新進行優化設計；在連接方面，內外板周邊由包邊結構改成膠粘結構；鉸鏈加強板與內板的連接由焊接結構改成膠鉚結構。

1.4 碳纖維發動機蓋輕量化效果

碳纖維發動機蓋由于在材料、結構及工藝上進行了簡化處理，質量能夠減輕8.221 kg，減重比例達47%，如表1所示。

表1 碳纖維發動機蓋減重效果對比表

2 碳纖維發動機蓋結構性能分析

應用CATIA軟件建立碳纖維發動機蓋的簡化三維CAD模型，將其導入到HyperMesh前處理軟件中進行網格劃分，然后分別對發動機蓋進行1階約束模態、后角點剛度、中后部剛度及側邊中部剛度的CAE分析。

2.1 1階約束模態分析

約束條件：約束鉸鏈與車身安裝點的所有自由度（1，2，3，4，5，6），釋放鉸鏈軸的轉動自由度；約束鎖扣處2，3平動自由度；約束緩沖塊位置所有自由度，如圖3所示。提取前6階模態，輸出頻率范圍為0～100 Hz。

圖3 碳纖維發動機蓋1階模態約束條件示意圖

由HyperView后處理軟件可得，發動機蓋總成的1階模態為48.63 Hz，如圖4所示。

圖4 碳纖維發動機蓋1階模態分析位移云圖

2.2 后角點剛度分析

約束條件：約束鉸鏈與車身安裝點的所有自由度（1，2，3，4，5，6），釋放鉸鏈軸的轉動自由度；約束緩沖塊及鎖扣位置z向自由度。

載荷條件：在外板后角點節點（75113）處施加z向100 N載荷，方向垂直于紙面向外，如圖5所示。

圖5 碳纖維發動機蓋后角點剛度分析約束條件示意圖

由HyperView后處理軟件可得，發動機蓋總成的后角點剛度z向位移為0.721 7 mm，如圖6所示。

圖6 碳纖維發動機蓋后角點剛度分析位移云圖

2.3 中后部剛度分析

約束條件：約束鉸鏈與車身安裝點的所有自由度（1，2，3，4，5，6），釋放鉸鏈軸的轉動自由度；約束鎖扣處2，3平動自由度；約束緩沖塊z向平動自由度。

載荷條件：后端中點處內外板各取4個單元用多點約束（MPC）來連接，節點號為19，并施加z向100 N載荷，方向垂直于紙面向外，如圖7所示。

圖7 碳纖維發動機蓋中后部剛度分析約束條件示意圖

由HyperView后處理軟件可得，發動機蓋總成的中后部剛度z向位移為0.977 6 mm，如圖8所示。

圖8 碳纖維發動機蓋中后部剛度分析位移云圖

2.4 側邊中部剛度分析

約束條件：約束鉸鏈與車身安裝點的所有自由度（1，2，3，4，5，6），釋放鉸鏈軸的轉動自由度；約束鎖扣處z向自由度。

載荷條件：在鎖扣與鉸鏈安裝點連線中點所對應的發動機蓋右側，內外板各取5個單元用MPC來連接，節點號為18，并施加負y向180 N載荷，方向平行于紙面向左，如圖9所示。

圖9 碳纖維發動機蓋側邊中部剛度分析約束條件示意圖

由HyperView后處理軟件可得，發動機蓋總成的側邊中部剛度y向位移為0.370 1 mm，如圖10所示。

圖10 碳纖維發動機蓋側邊中部剛度分析位移云圖

鋼結構發動機蓋的分析方法與上述類似，性能分析對比結果，如表2所示。

表2 碳纖維及鋼結構發動機蓋性能分析結果對比表

從表2可知，碳纖維發動機蓋的1階約束模態、后角點剛度、中后部剛度及側邊中部剛度均滿足目標值，且均略高于鋼結構發動機蓋，說明碳纖維發動機蓋結構存在設計過剩問題，可以進行深入的結構優化，在滿足各項性能要求的前提下，使得結構設計更合理、減重效果更明顯。碳纖維發動機蓋樣件，如圖11所示。

圖11 碳纖維發動機蓋樣件圖

3 碳纖維發動機蓋結構優化

針對碳纖維發動機蓋結構存在設計過剩的問題，首先，可以通過減薄厚度對其進行優化。外板優化設計厚度為1.3 mm，內板優化設計厚度為1.5 mm，優化后性能分析結果，如表3所示。

表3 結構優化后碳纖維及鋼結構發動機蓋性能分析對比表

從表3可知，尺寸優化后，碳纖維發動機蓋的1階約束模態、后角點剛度、中后部剛度及側邊中部剛度均滿足目標值，但后角點剛度、中后部剛度及側邊中部剛度均略低于鋼結構發動機蓋，該尺寸優化方案是否可行，需要后期用臺架或路試試驗進行驗證。

4 結論

文章以某SUV電動車的發動機蓋為研究對象，選用了CFRP替代傳統鋼材料方案，通過CAE軟件分析其1階約束模態、扭轉剛度、中后部剛度及側邊中部剛度等各項性能指標，結果表明CFRP的各項性能指標均能滿足目標值，且優于鋼材，驗證了采用碳纖維材料替換的可行性，實現了減重47%的目標。同時，針對設計過剩問題，提出了尺寸優化的參考方向。該優化方案是否可行，需要后期使用臺架或路試試驗進行驗證。