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轿车前舱盖扭转刚度分析及优化方法探讨 |
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作者：李峰 田冠男 杨晋 |
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摘 要：前舱盖是轿车的是重要部件，其扭转刚度性能的好坏直接影响汽车的整体性能。本文采用基于扭转角的评价方法，弥补了旧有方法的不足，并以某车型前舱盖为例对两种方法进行对比分析；运用Hypermesh 以及MSC NASTRAN 软件平台，进行前舱盖的有限元建模及其扭转刚度的求解，并采用两种方法进行优化对比分析.
关键词：前舱盖 扭转角 扭转刚度 MSC.Nastran 优化
1 概述
前舱盖（又称发动机盖、发动机罩）是最醒目的车身构件，是顾客经常要察看的部件之一。发动机盖的在结构上一般由外板和内板组成，中间夹以隔热材料，内板起到增强刚性的作用，其几何形状由厂家选取，基本上是骨架形式。对发动机盖的主要要求是隔热隔音、自身质量轻、刚性强。因此，其性能的好坏，直接影响车身的总体性能和舒适性[1]。
对前舱盖扭转刚度共考察两种工况：一是模拟前舱盖正常工作状态下，约束锁工作时，约束相应的自由度，在缓冲块处施加适当的载荷，利用NASTRAN 求解，得到相应的刚度值；二是锁不工作，约束一侧缓冲块处适当的自由度，在另一侧缓冲块处施加适当的载荷，利用NASTRAN 求解，得到相应的刚度值。
本文对扭转刚度采用两种方法进行评价：常用的位移法，及角度法；
位移法：即K=F/S K-刚度 F-施加的载荷 S-载荷对应的位移
角度法：即K=F/θ K-刚度 F-施加的载荷 θ -载荷对应的扭转角
位移法，相对比较简单，单位变形所需要的力值。但它受加载点位置的影响，即不同点得到的结果不一样。而在前舱盖的扭转刚度分析中，加载点常常选择缓冲块，但其位置并没有统一的规定。所以，这种方法很难准确的表达前舱盖整体扭转刚度；对此方法的扭转刚度的提升，只需要简单的移动缓冲块的位置就能轻易地提高扭转刚度值，但对整体刚度的提升并没有实质的意义。
角度法，单位扭转角所需要的力值。在前舱盖的扭转刚度的分析中，不受加载点位置影响，能很好的反应前舱盖的整体扭转刚度。
本文以某车型为例对两种方法进行对比，采用有限元法分析，对前舱盖的几何数模，利用Hypermesh 建立有限元模型，给定一定的边界约束条件和载荷条件，采用MSC Nastran 求解器对分析模型进行求解。并根据分析结果及MSC Nastran 灵敏度优化两种方法对前舱盖结构进行结构优化对比分析。
2 分析模型概况
某车性前舱盖有限元模型主要是其钣金件，不包括附件和内饰件。模型主要采用壳单元进行建模：整个模型共有45892 个单元，其中四边形单元44342 个，三角形单元1550 个，三角形所占比例3.4%。钣金件之间的连接方式主要采用CWELD 单元和RBE2 单元来模拟，内外板之间的胶连接由RBE3 模拟[2]。
模型中钣金的材料是钢，其材料属性见下表1：表1 模型材料属性
 整个前舱盖有限元模型如图1 所示： 
图1 某车型前舱盖有限元模型
3 模型中的关键作用点
分析用前舱盖模型的关键点，主要是指加载点和约束点[3]：
一、约束点：
铰链处约束点 主要是指铰链安装孔，分析时约束了该关键点的六个方向的自由度，从而模拟前舱盖与车身的连接，使车门与车体固定；对于铰链本身的销轴用BEAM 单元代替，同时释放其绕Y 轴的转动自由度来模拟铰链绕销轴旋转的真实情况。
前舱盖锁处约束点 主要是前舱盖锁锁扣和锁钩的锁止点，分析时释放了适当的自由度，以模拟前舱盖锁止时的状态。
二、加载点
加载点 加载点主要是前舱盖的几个不同位置如前舱盖缓冲块处、内板侧边中点、后边中点、前边中点及前舱盖锁装点处。
根据前舱盖在不同位置的加载于约束条件的组合，形成各种工况，通过计算分析考察前舱盖在约束条件下的模态及各工况下的刚度。
4 扭转刚度分析
两种扭转刚度：扭转刚度一（约束前舱盖锁）、扭转刚度二（约束缓冲块）。分别考察将前舱盖铰链和前舱盖锁约束后，施加相应载荷后的刚度，其评价方法分别用位移法和角度法。图2 和图3 为通过计算得到的两种扭转刚度位移云图和应力云图，表2 描述了两种评价方法的刚度分析结果。
表2 两种刚度两种评价方法分析结果
 由上表可以验证：在满足布置及造型的前提下，仅仅改变加载点（缓冲块）的位置：位移法的结果变化非常大：扭转刚度一、二分别提高117.27%和142.07%；但角度法的结果变化很小：扭转刚度一、二仅提高4.27%和3.67%。
5 优化分析
由上述可以判定：扭转刚度一和扭转刚度二没有达到目标值，需要优化提高，使其满足目标要求。
而对于前舱盖来说，除了外板及铰链的形状一般不可以改变之外，其他组成件均可以用来优化，包括其形状和材料厚度。当然还应遵循轻量化设计的原则，即在满足法规和性能要求的情况下，尽可能的减轻前舱盖的总重量。现在根据分析结果提出两种优化方案，如下：
方法一、根据扭转刚度的应力云图的结果分别如图4～6 所示：
①内板 ②前舱盖侧铰链 ③车身侧铰链 ④前舱盖锁安装加强板
⑤内板加强板 ⑥外板加强板
图6 扭转刚度的应力云图
由应变能和应力集中的结果云图做出的结构优化方案及优化结果见表3、表4：表3 方法一结构优化方案
 表4 方法一结构优化结果
 方法二：采用MSC.Nastran 灵敏度分析（求解序列SOL=200）对前舱盖进行优化分析：选取前舱盖8 个可变构成件材料厚度为优化变量，变量优化范围为初始厚度的±20%～30%；边界条件为一阶模态频率值和两种扭转刚度目标直；优化目标为前舱盖总质量最小[4]。所选构成件灵敏度分析结果及优化结果分别见表5、表6 所示：
由两种优化方法的优化结果可以看出：
1、两种方法都可以提高前舱盖的整体刚度，而且位移法和角度法的提升率几乎一致；
2、方法二较好，在不改变各零件形状的情况下，不仅能达到优化目的，满足设计要求，还可以减轻前舱盖质量，建议采用此法优化的结果。
7 结论
本文介绍的位移法和角度法都可以表征前舱盖两种扭转刚度，但位移法与加载点的位置密切相关，角度法却没有这种缺陷；两种优化方法对前舱盖的设计都产生的积极的指导作用，大大减少了新产品的设计周期，提升了设计质量和设计效率，但很明显MSC Nastran 的灵敏度优化方法效果更好。
参考文献
[1] 奇瑞车身部.前舱盖设计指南.
[2] 奇瑞CAE 部NVH 科.CAE 建模指南.
[3] 奇瑞CAE 部NVH 科.CAE 分析指南.
[4] 隋允康，杜家政，彭细荣编著.MSC.Nastran 有限元动力分析与优化设计使用教程 [M].北京：科学出版社，2004.(end)
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(3/12/2011) |
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