基于性能要求的發動機艙蓋輕量化設計

王俊峰 魏震 陳美玉

（華晨汽車工程研究院）

據統計，汽車質量每減輕10%，燃油消耗量可降低6%～8%，尾氣排放可下降4%。因此汽車輕量化是汽車節能減排的重要措施，也是當代汽車發展的必然趨勢。汽車輕量化設計主要有2種方式：1）設計更加合理的結構，從而避免過設計；2）采用新材料替換原有傳統材料，通常采用鋁合金、鎂合金、復合材料等輕型材料或高強度鋼替代普通低碳鋼提高性能，減輕質量[1]。2種方式中輕量化效果最為明顯的為第2種，同時也是最具有挑戰性的一種，必須在改變零部件材料的同時滿足剛度性能指標。因此文章以某車型發動機艙蓋為研究對象，對其進行材料替換，在保證剛度滿足性能目標的前提下，實現發動機艙蓋的減重。

1 鋁合金發動機艙蓋的設計開發

1.1 發動機艙蓋總成結構

發動機艙蓋總成由艙蓋外板與內板焊接總成構成（如圖1所示），外板與內板焊接總成通過包邊工藝實現連接，發動機艙蓋內板總成由內板與加強件通過點焊構成。發動機艙蓋外板材質為B170P1，內板材質為DC04，板厚均為0.7 mm。

圖1 發動機艙蓋總成結構圖

1.2 等剛度替換理論設計

發動機艙蓋選用鋁合金替換鋼材質的設計方案，是將發動機艙蓋的外板與內板根據等剛度替換理論進行材料替換，發動機艙蓋加強件保留原鋼材料設計，并通過自沖鉚接工藝與鋁合金材料內板進行連接。發動機艙蓋外板與內板總成的連接方式采用與鋼材質內外板相同的包邊連接工藝?？赏ㄟ^等剛度替換理論初步確定替換材料的厚度。單個鈑金件的剛度與厚度成非線性關系，近似關系表達為：

式中：K——鈑金件剛度，N/mm；

C——幾何系數；

E——彈性模量，GPa；

t——材料厚度，mm；

λ——材料厚度指數系數。

根據式（1）[2]，等剛度替換前后的厚度之比、質量之比分別為：

式中：t0，t1——材料替換前后的厚度，mm；

E0，E1——材料替換前后的彈性模量，GPa；

m0，m1——材料替換前后的質量，kg；

ρ0，ρ1——材料替換前后的體積質量，kg/m3。

由式（2）和式（3）[2]可知，等剛度條件下材料的厚度和質量均與彈性模量成反比。對于車身結構件，λ通常取值為1～2，幾乎很少有小于1或大于3的可能[3]。基于上述理論可得出發動機艙蓋內、外板由鋼材質替換為鋁合金材質后的初步厚度值，如表1所示，發動機艙蓋內、外板材料替換厚度指數系數是2.01，滿足λ在1～3的取值。

表1 發動機艙蓋內外板材料替換前后厚度對比

1.3 發動機艙蓋內板結構設計

通過等剛度替換確定發動機艙蓋內、外板厚度后，首先按原鋼材質內板結構，只將材質更改為AA5182（方案1），參照某公司研究院的分析標準及性能目標，分別對發動機艙蓋進行行人保護、彎曲剛度、扭轉剛度、前角剛度、中后部剛度的CAE分析。針對方案1的CAE分析不達標項對發動機艙蓋內板結構進行2次方案優化，首次優化是在機艙蓋內板增加橫向加強筋，同時優化局部結構（方案2）；二次優化是將機艙蓋內板設計為球窩狀（方案3）。3種方案，如圖2所示。

圖2 發動機艙蓋內板結構方案

2 發動機艙蓋性能分析

2.1 性能分析標準

取鎖鉤中心點、左右2個鉸鏈安裝點的中心點及左側鉸鏈安裝點3個點，建立局部坐標系。在該局部坐標系中，x'方向為鉸鏈軸方向，y'方向為以上3點確定平面的法線方向。

對發動機艙蓋彎曲、扭轉、前角、中后部進行剛度分析，約束條件和載荷工況，如圖3所示。1）彎曲剛度分析：在發動機蓋鎖扣節點處沿y'向施加300 N的載荷；2）扭轉剛度分析：在兩側緩沖塊位置沿y'向施加240 N·m的扭矩；3）前角剛度分析：在左側緩沖塊節點處沿y'向施加100 N的載荷；4）中后部剛度分析：在發動機艙蓋中后部節點處沿y'向施加100 N的載荷。

圖3 發動機艙蓋剛度分析約束條件和載荷工況

2.2 方案性能分析對比

2.2.1 行人保護性能分析對比

依據網格點法對各方案發動機艙蓋的行人保護性能進行CAE分析，原鋼材質方案與方案1～方案3的發動機艙蓋頭型試驗預測結果示意圖，如圖4所示，預測結果分值分別為6.25，6.05，5.96，6.10分。從分析結果可知，方案1與方案3的結構方案滿足星級目標要求，接近原鋼材質發動機艙蓋的分值。

圖4 發動機艙蓋頭型試驗預測結果示意圖

2.2.2 剛度性能分析對比

依據2.1節的分析標準對3種方案發動機艙蓋的彎曲剛度、扭轉剛度、前角剛度、中后部剛度進行分析，分析結果，如表2所示。通過對3種方案的剛度分析結果與目標值進行比對可知，球窩狀發動機艙蓋內板設計方案（方案3）的各項剛度均符合設計目標要求，為發動機艙蓋材質替換剛度評估的最優方案，其CAE仿真分析，如圖5所示。

表2 發動機艙蓋剛度分析結果對比

圖5 發動機艙蓋剛度CAE仿真分析

3 輕量化效果分析

為得到3種發動機艙蓋內板結構方案的鋁合金發動機艙蓋的減重效果，將3種鋁合金發動機艙蓋與原鋼材質發動機艙蓋模型進行比較，如表3所示。由表3可知，3種方案的發動機艙蓋分別減重約為50.8%，49.5%，40%。

表3 發動機艙蓋輕量化效果分析對比

4 結論

采用鋁合金材料對發動機艙蓋進行輕量化設計，需先通過等剛度替換理論，初步確定發動機艙蓋內外板的厚度，再基于原鋼材質的行人保護及剛度性能目標進行CAE分析。針對性能不滿足項對機艙蓋內板結構進行優化，最終設計了既具有高緩沖吸能性又滿足剛度要求的球窩狀發動機艙蓋內板，同時實現了機艙蓋減重。文章中涉及的分析及優化方法對鋁合金發動機艙蓋的正向設計具有一定的指導意義。