基于仿真的汽車引擎蓋強度耐久系統(tǒng)分析

周星棟，王振

（上汽大眾汽車有限公司產(chǎn)品研發(fā)車身研發(fā)部，上海 201805）

通過有限元方法分析某一款車型引擎蓋關(guān)閉系統(tǒng)的動力學(xué)過程，模擬預(yù)測引擎蓋在整個落鎖過程中的應(yīng)力分布，利用疲勞算法計算疲勞損傷值，提出方案解決局部開裂問題，通過試驗驗證模型及方案的準(zhǔn)確有效，建立一種評價引擎蓋疲勞的新方法。

引擎蓋；有限元仿真；疲勞計算；應(yīng)力分析

0 引言

引擎蓋是汽車車身結(jié)構(gòu)中最為重要的零件之一，也是新車型設(shè)計開發(fā)修改最為頻繁的零件之一。引擎蓋的設(shè)計不僅需要考慮到造型的美觀，更要兼顧結(jié)構(gòu)剛度、強度、低振動噪聲以及行人保護的法規(guī)要求，除此之外還要滿足工藝可行、輕量化的目標(biāo)。因此，由于某些輕量化、行人保護能量吸收等結(jié)構(gòu)設(shè)計的原因，在引擎蓋的疲勞試驗中，往往會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，并且最終導(dǎo)致鈑金開裂或者無法鎖止的情況發(fā)生。

為了解決此類問題，減小因模具修改帶來的制造成本和試驗成本，在設(shè)計之初或者在尋找問題解決方案過程中就需要引入檢驗鈑金應(yīng)力集中的方法和模式。而通過有效的有限元模型分析模擬引擎蓋開啟關(guān)閉的動力學(xué)仿真模型，可以有效地預(yù)測風(fēng)險或者優(yōu)化開裂解決方案。

本文通過建立引擎蓋系統(tǒng)的一整套有限元模型，包括鈑金系統(tǒng)、附件緩沖系統(tǒng)、鎖系統(tǒng)，利用有限元求解器求解某車型引擎蓋關(guān)閉落鎖過程的瞬態(tài)響應(yīng)，利用應(yīng)力結(jié)果進行疲勞分析，提出改進方案，最終通過試驗驗證模型和方案的有效，形成了一整套的應(yīng)力強度和疲勞分析分析解決方法。

1 有限元模型以及分析類型

1.1 引擎蓋模型

以某一款車型的引擎蓋作為模型輸入。引擎蓋的鈑金通過殼單元建立，鈑金之間的膠水連接方式使用實體共節(jié)點的方式，焊點使用Abaqus Fastern 方式連接。（圖1）膠水問題共節(jié)點處理相比多點約束方式可以防止由于膠水彈性模量過小引起的變形過大問題。鈑金結(jié)構(gòu)單元全部采用減縮積分單元[1]，保證準(zhǔn)確的同時減少計算時間，同時不考慮非線性材料而是在后期結(jié)果處理通過Neuber-hyperba[2]等效轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。

圖1 引擎蓋有限元模型

1.2 緩沖塊、密封條單元以及材料參數(shù)

作為緩沖元件的緩沖塊以及密封條屬于橡膠材料，采用HyperElasticPolynomial 通過能量法Mooney-Rivlin 模型[3]方法擬合。不可壓縮橡膠材料的Mooney-Rivilin 模型為[3]：

式（1）中，W 為橡膠材料應(yīng)變能密度函數(shù)，C1與C2為力學(xué)性能常數(shù)，用來擬合材料拉伸試驗等的參數(shù)。該模型能很好的描述變形小于150%的橡膠材料力學(xué)性能。確定C1和C2的具體方法根據(jù)試驗測出。不同λ主伸長比下的主應(yīng)力t1，以為1/λ橫坐標(biāo)縱坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)，把試驗點繪在坐標(biāo)系中，并把試驗點回歸成一直線，C1即為這條直線的截距，C2即為這條直線的斜率。如下圖2 所示，Mooney-Rivlin 曲線擬合緩沖塊橡膠材料EPDM，基本吻合試驗測試數(shù)據(jù)。

圖2 利用Mooney-Rivlin擬合單軸拉伸曲線與試驗的對比

密封條的網(wǎng)格截面采用雙層網(wǎng)格大小為1-1.5mm，掃掠長度方向大小為3mm。緩沖塊網(wǎng)格單元大小為1.5mm，單元格式為減縮積分單元，為防止剪切自鎖，網(wǎng)格層數(shù)可以增多（圖3）。

圖3 密封條和緩沖塊網(wǎng)格

1.3 鎖系統(tǒng)的多體運動學(xué)機構(gòu)

鎖系統(tǒng)是引擎蓋整個關(guān)閉模型的主要組成部分，由于鎖內(nèi)部有許多的零件構(gòu)成的機構(gòu)，因此這一部分建模屬于多體運動機構(gòu)建模（圖4）。采用CONN3D2單元類型模擬鎖內(nèi)的彈簧，HINGE 類別，對于彈簧剛度使用材料控制，初始預(yù)緊力加載。由于鎖內(nèi)部的鎖舌等部件在機構(gòu)運動中需要接觸，因此此部分在模型中采用通用接觸。

圖4 鎖模型示意

其中1、2、3、4、5、6 分別為鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)零件Joint_1、2、3、4 為鎖內(nèi)彈簧。

1.4 求解類型選擇

對于多接觸沖擊問題這里使用顯示動力學(xué)[4]求解類型，即為瞬態(tài)顯示算法，計算時間設(shè)為0.1s。

顯示算法使用中心差分迭代[4]方法如下：

顯示差分方法的關(guān)鍵位置在確定第一步步長：

式（4）中MNJ為質(zhì)量矩陣，P 是外部作用力，I 是內(nèi)部作用力。顯示算法不需要總體剛度矩陣計算，允許在某些不影響結(jié)果的單元進行質(zhì)量縮放，以減少計算時間。在此我們并不進行質(zhì)量縮放，但對極限小的單元進行修正（考慮提高最小單元長度Lmin）。單元與單元的穩(wěn)定時間步長計算公式：

式（5）中cd為擴散波速率。

從式（5）可以看出穩(wěn)定時間步長極限，不僅僅與最小單元長度有關(guān)。對于線彈性材料：

從式（6）可以看出材料的特性會影響波速，對于非線性材料，隨著材料的屈服，剛度會變小，導(dǎo)致波速減小，穩(wěn)定極限之會隨之增大。

圖5 總能量變化曲線

2 結(jié)果輸出分析

2.1 顯示結(jié)果合理性分析

顯示計算的結(jié)果因為是上一步結(jié)果的遞推結(jié)果，一旦超過穩(wěn)定極限步長就會變得與實際變形方式不一致，也就是失真。因此需要比較計算過程中總體能量的變化，控制在變化率不超過5%，另外應(yīng)變能與內(nèi)能的比值小于10%。圖5 為模型內(nèi)能總能量以及應(yīng)變能。計算結(jié)果總能量變化在2%以內(nèi)，可以認(rèn)為模型結(jié)果準(zhǔn)確。

2.2 引擎蓋內(nèi)板應(yīng)力分布

引擎蓋關(guān)閉試驗開裂部分情況如下（3750 次循環(huán)之后）在內(nèi)板表面發(fā)現(xiàn)裂紋。引擎蓋作為內(nèi)外鈑金的總成零件，關(guān)閉落鎖過程中，主要受到鎖和緩沖系統(tǒng)的沖擊力，其中鎖占了絕大部分。從圖6 看出，裂紋發(fā)生在引擎蓋鎖扣安裝面圓角位置。

圖6 試驗結(jié)果開裂區(qū)域

對比模擬結(jié)果應(yīng)力分布如圖7。可以看出應(yīng)力集中的位置即是引擎蓋鎖扣安裝面圓角過度位置，初步的原因分析是此處局部結(jié)構(gòu)過度太急，剛度不夠，導(dǎo)致應(yīng)力集中。

3 疲勞分析

瞬態(tài)動力學(xué)模擬的結(jié)果，包含了在關(guān)閉時間內(nèi)的應(yīng)力變化歷程，對于這些時刻的應(yīng)力，把它作為疲勞分析的應(yīng)力輸入。這里采用Miner Elementary[6]方法修正S-N 曲線，同時利用雨流技術(shù)[7]對瞬態(tài)應(yīng)力進行統(tǒng)計學(xué)計數(shù)如圖8 所示。

圖7 應(yīng)力分布

圖8 雨流技術(shù)

A：節(jié)點應(yīng)力瞬態(tài)幅值M：平均應(yīng)力n：雨流技術(shù)幅值統(tǒng)計數(shù)量

雨流技術(shù)采用Unfavorable Sequence[8]處理，即考慮應(yīng)力疊加最苛刻的順序，這樣疲勞分析模擬結(jié)果更為保險。

圖9 應(yīng)力序列方法

對于彈性材料利用Neuber-Hyperbola 方法通過應(yīng)變能[9]等效方法影射到塑形材料。Neuber-Hyperbola方法原理就是在知曉材料塑性材料的基礎(chǔ)上，將不考慮塑性的彈性體應(yīng)變能等效為同等非線性材料的應(yīng)變能，這樣將非線性放在了計算求解之后，作為應(yīng)力整理過程的處理，可以大大的減少計算時間，避免由于引入非線性材料導(dǎo)致的問題。

圖10 Neuber-Hyperbola方法

4 方案及模擬結(jié)果分析對比

鎖加強版在右側(cè)圓角位置沒有與鈑金的鈑金加強面，并且此處的內(nèi)板圓角過小，在落鎖的過程中導(dǎo)致此處的變形過大，進而導(dǎo)致應(yīng)力集中（圖11）。顯而易見，需要在這個位置對內(nèi)板進行加強，將鎖加強板延出，并與內(nèi)板通過膠水連接，同時放大內(nèi)板此處的圓角避免局部造型變化劇烈導(dǎo)致的應(yīng)力集中。優(yōu)化的方案如圖12 所示，對于開裂的位置進行加強版的補強，同時對于圓角進行適當(dāng)?shù)臄U大，在考慮到無法進行焊點連接，設(shè)計為膠水連接方式。

圖11 結(jié)構(gòu)及變形分析

圖12 方案措施

方案和基礎(chǔ)模型的應(yīng)力分布對比，方案狀態(tài)明顯應(yīng)力等級降了一個水平，修補的鎖加強板起到了加強剛度的作用（圖13）。

圖13 應(yīng)力對比

在此基礎(chǔ)上，將應(yīng)力結(jié)果輸入到疲勞分析瞬態(tài)結(jié)果計算中可以得到疲勞分析結(jié)果，5000 次循環(huán)后的損傷系數(shù)為如圖14 所示，基礎(chǔ)狀態(tài)下?lián)p傷系數(shù)[10]為2.1遠大于1，存在開裂風(fēng)險，這也與試驗結(jié)果一致，而優(yōu)化方案此處損傷系數(shù)為0.1，應(yīng)該能保證避免此處避免開裂的風(fēng)險，接下來，需要通過試驗驗證結(jié)果。

圖14 疲勞損傷值對比

5 試驗驗證

方案措施在5000 次引擎蓋關(guān)閉試驗中的結(jié)果圖15，試驗檢測沒有出現(xiàn)裂紋，因此方案是有效的，整個制造試驗流程也得到了可行性確認(rèn)。

圖15 方案試驗結(jié)果

6 結(jié)語

汽車引擎蓋在開啟與關(guān)閉落鎖的過程中需要承擔(dān)相應(yīng)的強度、疲勞要求，并結(jié)合工藝要求保障結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計以減少不必要的開發(fā)費用，因此需要一種結(jié)合分析與試驗的方法評價設(shè)計結(jié)構(gòu)。

本文通過分析某車型在預(yù)生產(chǎn)階段出現(xiàn)的開裂問題，充分利用模擬計算方法分析引擎蓋的結(jié)構(gòu)缺陷，在生產(chǎn)工藝允許的范圍內(nèi)快速找出改進措施，并通過計算手段驗證了方案應(yīng)力水平以及疲勞極限上的可行性，在短時間通過試驗驗證了解決方案，形成了一整套的試驗-計算檢驗方法。此分析方法及其建模方式可以作為新車型的引擎蓋強度疲勞風(fēng)險的標(biāo)準(zhǔn)化評估手段。