乘用車發動機罩的過關性能仿真與試驗分析

張兵 高鵬飛 曹宏偉 李建澎

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

發動機罩總成的性能，包含剛度、強度、耐久性和行人保護等多個方面。在設計開發過程中，工程師需要完成各項性能指標的仿真及試驗驗證。其中，發動機罩在關閉過程中產生的變形，即過關變形量，是在驗證開發前期必須予以重視的性能。過關變形量的校核關系到發動機罩鈑金與周邊零部件的設計間隙是否合理，結構剛度和強度是否滿足性能要求。在仿真校核時，需要考察關閉過程發動機罩的變形是否過大，是否會導致鈑金與其他部件出現磕碰，局部是否存在較大塑性應變和永久變形等問題。目前，發動機罩結構剛度工況能夠保證其靜態剛度，并與試驗相關性較好。但其動態性能仿真沒有與試驗結果做充分的量化相關性驗證。同時，隨著消費者對車身造型及設計對車身間隙的要求越來越高，設計工程師對于過關量準確仿真需求越來越強烈。因此對于此工況的仿真模型驗證工作亟待進行。

1 發動機罩過關性能仿真方法

要完成此項過關性能仿真，需要準確地模擬出發動機罩關閉過程、鎖的運動和力學行為、緩沖塊和密封條的變形，最后，計算輸出準確的鈑金變形量、應變和應力歷程，為后續性能仿真提供依據，并指導設計。

發動機罩關閉性能需要利用顯式動力學仿真分析[1]。ABAQUS/Explicit 模塊是解決此類問題非常有效的工具之一，它具有較強的顯式仿真能力，仿真方法成熟、計算效率高，并且能夠考慮結構大的變形、橡膠材料的非線性本構關系。同時還具有完善的單元庫、接觸算法，能夠為設計師提供準確的仿真設計參考。

具體方法是：首先，將發動機罩及車身鈑金、內外飾總體裝配模型分解為相互獨立的重要子系統。通過對多個子系統分別進行詳細建模和測試對標，保證各子系統的性能仿真模型的準確性。然后，將對標后的模型進行裝配，定義總體工況，完成計算與試驗的對標。以此，來保證整體仿真模型和計算結果的準確性。從而總結出一套試驗和仿真的流程和方法。同時完成模型校核，指導同類開閉件仿真工況的建模及性能評價。

2 發動機罩過關性能仿真模型

過關性能仿真模型規模大，涉及范圍廣，包括白車身、車身內外飾、電氣件、機能件等。截取白車身前半部分，對發動機罩及其附件、緩沖塊、密封條、鎖機構、車身外飾部件，以及前大燈等電氣件進行詳細建模，如圖1 所示。

圖1 發動機罩過關性能仿真模型分解圖

發動機罩仿真模型中，關鍵部分鈑金網格采用平均尺寸（6 mm）可以獲得與試驗接近的應力結果；焊點采用ABAQUS 的fasterner 焊點實現連接；減振膠采用共節點或tie 接觸與鈑金連接；鉸鏈軸及鎖機構內部運動零件旋轉軸均采用conn3d2 單元，通過hinge 連接類型釋放繞軸旋轉自由度。鎖彈簧定義按照其設計剛度，需考慮安裝時預拉伸載荷，調整定義拉伸長度。橡膠緩沖塊與密封條考慮超彈性材料，選用Mooney-Rivilin 模型。在整體裝配完成后，需要考慮全局接觸的作用，同時還需要檢查網格模型，避免局部穿透和干涉。

3 子系統試驗測量與仿真對標

通過分析發動機罩關閉過程：當發動機罩被抬起一定高度釋放后，其繞鉸鏈軸做自由落體旋轉運動，然后發動機罩鎖鉤與鎖，發動機罩內板與緩沖塊和密封條接觸，下落達到極限位置后反彈并鎖止，最后振動衰減直到靜止狀態。整個關閉過程可提取出影響較大的3 個子系統，分別為：鎖機構、緩沖塊、密封條。接下來，需要對以上關鍵子系統零部件進行相關試驗測量，并與仿真模型在同一工況下獲得的計算結果進行對標，從而修正仿真模型。

3.1 鎖機構子系統

通過推拉力計完成安全鉤推力與卡板的下壓力的測量，共需完成3 次測試，如圖2 所示。由于解鎖后卡板需要將發動機罩頂起，因此測得卡板下壓力較大，數值為96～98 N，測得安全鉤的推力值為5～6 N。在仿真模型中，通過適當調整卡板彈簧仿真定義參數，包括彈簧的預拉伸長度和剛度，安全鉤扭簧的扭轉剛度及安裝角度，使其仿真結果達到與測試結果一致。

圖2 鎖安全鉤和卡板測量及鎖總成模型

3.2 緩沖塊子系統

選取多個緩沖塊樣本，利用彈性體剛度試驗臺，如圖3 所示，進行10 mm 靜態剛度試驗。樣本固定后，記錄壓縮過程的力與位移，得到壓縮反力曲線。通過調整橡膠材料Mooney-Rivilin 模型的參數[2]，使仿真計算結果在2 個試驗樣本之間取值，如圖4 所示。

圖3 彈性體剛度試驗臺

圖4 緩沖塊仿真模型和擬合曲線

3.3 密封條子系統

截取長度為50 mm 的密封條樣件，按照車身安裝方式固定到試驗臺，利用彈性體剛度試驗臺進行10 mm 靜態剛度試驗，記錄力與位移，得到壓縮反力曲線。同理，可調整其材料模型參數，使密封條壓縮反力曲線與試驗曲線吻合，如圖5 所示。

圖5 密封條仿真模型和擬合曲線

以上根據試驗測量得到的數據，完成了仿真子系統建模和試驗工況的仿真分析，獲得了符合子系統力學性能的仿真模型。

4 試驗測量與裝配模型仿真

在發動機罩關閉試驗中，定義發動機罩前部邊緣打開300 mm 高度釋放并關閉，共進行3 次。試驗過程中，記錄發動機罩外板邊緣的間隙，即過關量變化，發動機罩前部加速度變化，鎖鉤附件發動機罩內板局部應變變化。

對于過關量變化的測量，由于發動機罩關閉過程的變形須在100 ms 內完成，發生時間非常短。以往的傳統測量方式，例如放置橡皮泥測量（采用橡皮泥被靜壓與動壓后的高度差來測量過關量），無法準確判斷橡皮泥的自身彈性恢復，手工測量誤差較大，因此只能定性判斷是否接觸。無法滿足對量化對標的精度要求。為了解決上述問題，此次試驗采用了高速攝像機間接測量的方式記錄變形過程[3]，此方法無需工裝，可間接無接觸測量。試驗前，將發動機罩及前大燈表面做好特征標記，在發動機罩下落過程中，穩定擺放在被測標記正側方的高速攝像機以1 920 幀/s 的速度，準確、清晰地記錄發動機罩每0.52 ms 的變形。后期對采集的圖像進行處理，可以精確找到發動機罩變形的極限位置。這一試驗過程，如圖6 所示。測量采集的圖像中特征點像素數量，即可等效得到發動機罩相對其靜止位置的最大變形量，即過關量。測量的精度可以達到0.1 mm，大大提高了測量水平[4]。經過對靜止狀態圖像和極限位置分析處理后，得到發動機罩的過關量測量值為5.0 mm。

圖6 發動機罩過關變形測量方法示意圖

在發動機罩鎖鉤以及緩沖塊接觸附近，選取仿真中應變較大的2 個位置，布置粘貼應變片，以記錄關閉過程局部應變變化[5]。記錄的數據可以通過Tecware 軟件轉換為米塞斯應力和主應力，如圖7 和圖8 所示。

圖7 應變片粘貼位置

圖8 應變片粘貼位置及應變測量結果

在發動機罩外板表面，安裝3 向加速度傳感器，記錄發動機罩關閉過程的加速度變化，測量結果如圖9所示。

圖9 加速度傳感器布置及加速度測量結果

試驗測量完成后，將所有對標完成的子系統模型裝配到整體模型，并定義發動機罩300 mm 釋放試驗工況進行仿真計算。仿真工況的輸入條件，可根據能量守恒原理，計算發動機罩在與鎖機構接觸之前的理論初始角速度為2.54 rad/s，同時施加重力場，對仿真模型車身斷面進行充分約束，設置時間為80 ms，以此工況定義并完成計算。

仿真結果，如圖10 所示，發動機罩完成下落并實現各部分接觸，鎖機構與鎖鉤實現閉合，達到預期效果。

圖10 發動機罩仿真計算結果截圖

如圖11 所示，仿真模型的系統總能量、內能、動能曲線平穩，仿真結果合理可靠。

圖11 發動機罩仿真計算能量曲線

在與試驗加速度傳感器相同的位置，提取仿真加速度曲線與試驗曲線的對比[6]，如圖12 所示，加速度曲線在發動機罩鎖鉤和與鎖總成以及緩沖塊等部件接觸發生時波動明顯，且加速度峰值和發生時刻對應較好，誤差為5.7%。

圖12 發動機罩仿真與測量加速度曲線對比圖

發動機罩應變測點的數據采集后處理結果，如圖13 所示，在仿真模型中輸出同一位置的米塞斯應力，應力幅值范圍對應較好。仿真結果中，發動機罩內板塑性應變較小，無永久變形發生。

圖13 發動機罩仿真與測量應力曲線對比圖

發動機罩外板邊緣變形仿真結果的測點選取與試驗一致，采用與試驗統一的方法計算的過關量仿真結果為4.7 mm，如圖14 所示，與試驗值相差約6%。其它發動機罩監測點的變形量，如圖15 所示，均小于設計過關量，符合設計要求。由于大燈附近與緩沖塊的距離較遠，此處變形量最大，后續車型設計過程需重點關注。

圖14 發動機罩仿真與試驗同一位置變形量

圖15 發動機罩鈑金邊緣變形量統計

5 結論

發動機罩仿真結果與試驗結果一致顯示，發動機罩在關閉過程中，未與車身外飾及電氣件發生接觸，滿足過關量設計要求。文章通過各子系統的試驗對標，完成了仿真模型的驗證。

文章介紹了發動機罩過關性能相關的子系統仿真建模方法，并完成了各子系統仿真和試驗測量的對標，保證各自系統裝配后的模型準確性。 利用ABAQUS/Explicit 完成了發動機罩300 mm 釋放后過關性能的仿真，將仿真結果與試驗測量的加速度、邊緣點變形量、鎖鉤與緩沖塊接觸局部的應變、應力分別對標，對應情況較好，進而驗證了整個方法和流程的準確性。同時，也為下一步進行其他開閉件的過關性能和開閉疲勞耐久仿真分析打下了堅實的基礎。