某乘用車引擎蓋模態性能與抗凹性能分析

（江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330200）

0.引言

汽車引擎蓋是車輛重要的覆蓋件，位于車輛的前端，能夠保護發動機等重要系統，有效減少發動機產生的噪聲和熱量，為駕乘人員提供舒適的環境，同時降低空氣阻力，提升車輛的穩定性。當引擎蓋的固有頻率與發動機的工作頻率相近時，會導致引擎蓋產生共振，直接影響車輛的舒適性。當引擎蓋的剛度性能偏弱時，將產生一定的永久變形，會降低車輛的美觀性同時影響正常的使用，因此引擎蓋的各項性能直接決定了車輛的舒適性和穩定性。某新型乘用車設計了一款引擎蓋，能確保其模態性能和抗凹性能符合設計要求，采用有限元方法對引擎蓋進行模態性能分析，然后進行模態試驗對標，再對進行抗凹性能進行校核。

1.模態分析理論基礎

基于模態分析可以獲取結構的振動特性，其主要包括結構的固有頻率及其陣型。模態性能是結構的固有特性，與外部激勵載荷無關。基于動載荷的虛功原理可以得到結構的運動方程為[1-2]：

式（1）中，M 是結構的廣義質量矩陣；C是結構的阻尼矩陣；K是結構的剛度矩陣；˙是結構的加速度矩陣；是結構的速度矩陣；x是結構的位移向量；P(t) 是結構的激振力向量。

通過結構的求解無阻尼運動方程，可以得到結構的頻率及陣型。

2.建立引擎蓋有限元模型

某新型乘用車引擎蓋主要由外板、內板、加強板和鉸鏈構成，外板的厚度為0.8mm，內板的厚度為0.6mm，加強板的厚度為0.6mm，其材料均為DC01，采用Catia軟件建立該引擎蓋三維模型，然后將其加載至Hypermesh軟件[3-4]中。引擎蓋各個零部件均為沖壓鈑金結構，首先抽取其中間面，對其各個中間面進行幾何處理，然后采用8mm的四邊形和三角形單元對其進行離散化處理，其中的焊縫連接采用Hexa(adhesive)單元模擬，并建立材料屬性并賦予其相應的厚度值，以此建立引擎蓋有限元模型，如圖1所示，其中單元總數為62536，節點總數為62320。

圖1 引擎蓋有限元模型

3.模態性能分析

為了獲取引擎蓋的模態性能，基于引擎蓋的有限元模型，并采用Nastran軟件[5]釋放其所有自由度，設置其計算頻率范圍為1Hz～60Hz，設置對其進行模態性能分析，以此獲取該引擎蓋的固有頻率分別為32.4Hz、43.1Hz和56.8Hz。

如圖2所示，為引擎蓋第一階模態陣型云圖。由圖2可知，其模態陣型特征為扭轉，其振動變形最大為18.59mm。

圖2 引擎蓋第一階模態陣型云圖

如圖3所示，為引擎蓋第二階模態陣型云圖。由圖3可知，其模態陣型特征為中間凸起，其振動變形最大為26.25mm。

圖3 引擎蓋第二階模態陣型云圖

如圖4所示，為引擎蓋第三階模態陣型云圖。由圖4可知，其模態陣型特征為兩側凸起，其振動變形最大為23.06mm。

圖4 引擎蓋第三階模態陣型云圖

該乘用車發動機的怠速為850r/min，其發動機工作頻率為28.3Hz，因此該引擎蓋的固有頻率不會與其發生耦合，能夠有效避免引擎蓋產生共振，符合模態性能設計要求。

4.模態試驗

為了驗證引擎蓋有限元建模及模態性能分析的精確度，基于多點激勵多點響應方法對引擎蓋進行自由模態試驗，采用最小二乘指數法對測試數據進行處理，得到引擎蓋的前兩階模態試驗陣型如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，引擎蓋的第一階模態試驗振動表現為扭轉，其第二階模態試驗陣型表現為中間凸起，因此引擎蓋的試驗陣型與模態仿真陣型相同。

圖5 引擎蓋第一階模態試驗陣型

圖6 引擎蓋第二階模態試驗陣型

如表1所示為引擎蓋的模態測試值與仿真值對比。由表1知，該乘用車引擎蓋的前兩階模態測試值分別為31.5Hz和40.2Hz，由此可知模態性能分析的精確度分別達到了97.1%和92.8%，證明了有限元建模及模態性能分析的可靠性。

表1 模態頻率測試值與仿真值對比

5.抗凹性能分析

引擎蓋抗凹性能是指其在額定的外界載荷作用下抵抗凹陷變形的能力。為了獲取引擎蓋的薄弱區域，基于引擎蓋的有限元模型，采用Abaqus軟件[6]約束鉸鏈安裝孔的所有自帶有，約束鎖扣的平動自由度，同時約束左右緩沖塊的垂向自由度，在其外板表明施加法向的均布壓強0.001MPa，以此得到其位移云圖，如圖7所示。由圖7可知，其最大變形為6.65mm，其薄弱區域為引擎蓋的中間靠后及其兩側。

圖7 均布壓強位移云圖

基于均布壓強分析結果，在引擎蓋外板表面選取三個薄弱點作為參考點，并細化參考點附近的網格單元，作直徑為75mm的剛性圓盤，在抗凹參考點施加法向100N的力，設置同樣的約束條件，以此得到P1、P2和P3點的位移云圖。由圖8可知，P1點的最大變形為2.347mm。由圖9可知，P2點的最大變形為3.722mm。由圖10可知，P3點的最大變形為3.838mm。

圖8 P1點位移云圖

圖9 P2點位移云圖

圖10 P3點位移云圖

綜上所述，該乘用車引擎蓋薄弱區域的最大變形在實際工程要求值（5mm）范圍之內，能夠抵抗一定的變形能力，滿足抗凹性能設計，符合滿足客戶使用要求。

6.結論

基于有限元方法并采用Hypermesh軟件建立引擎蓋網格模型，采用Nastran軟件對其進行模態性能仿真分析，獲取其前三階模態頻率分別為32.4Hz、43.1Hz和56.8Hz，不會與發動機工作頻率耦合，不會產生共振，滿足動態性能要求。對引擎蓋進行自由模態試驗，驗證了有限元仿真分析方法具有較高的準確度。采用Abaqus軟件對引擎蓋進行抗凹性能仿真分析，其最大變形為3.838mm，其他區域的變形值也都小于目標值，滿足設計要求。