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CAE/模拟仿真 |
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基于HyperWorks的某乘用车机舱盖内板开裂分析与优化设计 |
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作者：杜伟娟 胡海欧 陈韬 |
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摘要：某乘用车在道路试验中，机舱盖内板靠近左侧铰链处发生开裂现象，针对此开裂问题，对该车型的机舱盖进行强度仿真分析计算，寻求开裂原因。为更好的模拟实际工况，考虑了机舱盖在道路试验过程中各种受力情况，同时设计了四种工况条件。根据计算的应力、变形结果找出导致开裂的主导因子，并对开裂区域进行优化设计,改进后的部件在后续路试中，未出现开裂，验证了优化方案的可行性。
1 概述
乘用车机舱盖与车身连接的铰链区域在道路试验中受到整车和地面传递的各种作用力（如垂直力、侧向力及制动力等），所以车辆行驶时铰链安装点区域所受载荷比较复杂，并且该区域布置载荷采集设备比较困难，无法得到实际载荷谱，因此，仅能从该区域的受力方向设计工况，并采用业界知名的CAE应用软件HyperWorks对其进行强度分析，根据分析结果寻找开裂原因，并进行相应的优化设计，对改进方案进行计算分析，最终满足设计要求。
HyperWorks作为高效的CAE 软件集前后处理与求解器于一体，功能全面，操作便捷，因此本文选用HyperMesh建立机舱盖的有限元模型，选用OptiStruct求解器完成对模型的强度分析，使用HyperView进行后处理得到应力分布云图， 其分析结果为结构设计和改进提供参考依据。
2 原方案机舱盖结构强度分析
2.1 模型的建立
该乘用车机舱盖主要由内外板、铰链及其加强板、锁扣及其加强板、焊点及粘胶组成的，如图1所示。
图1 舱盖几何模型
首先对CATIA创建的几何模型，运用HyperMesh进行几何清理，最后按照有限元网格划分规范对模型进行网格划分，模型结点数38975，单元数38540，如图2所示。
图2 舱盖有限元计算模型
2.2 材料属性
计算中所使用的材料参数如下：
合金钢的材料参数：弹性模量：210GPa 材料密度：7.9e+3kg/m3 泊松比：0.3
粘胶材料参数：弹性模量：4GPa 材料密度：1.2e+3kg/m3 泊松比：0.3
长度单位为：mm
2.3 强度分析及方案改进
整车在道路试验过程中受到的载荷来自于路面与发动机的振动，由行驶系统及其连接机构传到车身各个部位，所以车辆行驶时机舱盖铰链安装点受到的载荷比较复杂，只能设计铰链安装点分别在X向、Y向、Z向，XYZ向各受力100N，以便模拟车型在运动过程中，哪个方向的受力对铰链开裂区域的影响最大；为了模拟其实际受力情况设计了相应的四种工况如表1所示。铰链和车身连接处设定约束，锁定全部6个自由度，锁扣处锁定Z向平动自由度；同时施加密封条载荷，缓冲块位置施加102.5N的Z向载荷、气动杆力载荷及1重力场、铰链安装点加载X、Y、Z向各100N，如图3所示。
图3 计算模型边界条件设定
表1 模型强度计算4种工况设定表
  模型搭建完后采用OptiStruct求解器对该模型进行强度分析，再运用HyperView 进行后处理得到应力分布云图，结果如图4、表2所示：
图4 原方案各工况下强度计算应力分布云图
表2 各工况下铰链区域最大应力值
 由于锁扣和车身不是处于完全锁死状态，车辆在坏路行驶时，机舱盖会左右、前后、上下跳动，但是上下颠簸的状态比较严重。从四个工况分析结果也可以得出，机舱盖铰链安装区域开裂主要是由Z向受力所致，其应力集中区域与开裂处比较吻合；因为机舱盖内板属于普通钢板，疲劳极限大约是135-150Mpa，工况三最大应力122Mpa比较接近疲劳极限，与对标车相比，该处应力值比较大，安全因子较低，所以在重复载荷作用下，该区域易产生应力集中引起开裂。为了满足设计要求对该处铰链加强板结构进行了优化设计如图5所示，更改了铰链加强板结构，同时其厚度由原来1mm变为1.5mm，材料和加工工艺不变。 
图5 原方案和新方案设计结构
2.4 新方案强度分析
新方案机舱盖强度分析方法与原方案相同（相同的工况条件），分析结果和相应的应力云图如图6和表3所示：表3 新方案和原方案在各工况下最大应力
 
图6 新方案各工况下强度计算应力分布云图
新方案分析结果与原方案进行对比发现，新方案四个工况下铰链附近区域的最大应力相对于原方案降低，铰链安装区域安全系数明显高于优化前且高于对标车；说明铰链加强板结构优化后，此处结构得到加强，后续道路路试未出现开裂，验证了该优化方案的可行性。
3 结论
通过对机舱盖的有限元强度分析，找出其发生断裂的原因并提出优化方案。在同种工况中，运用OptiStruct求解器对优化前后方案进行强度分析对比，可以得出，改进方案铰链安装区域安全系数明显高于优化前，是一种比较有效的优化设计方案，这是HyperWorks软件在本次结构设计分析中的成功应用。
CAE技术在结构选型和设计过程中的应用可以寻找或较早地预测结构动态特性设计的不足，为设计师结构优化设计提供依据并指明方向，从而可在设计之初对结构进行设计改进，减少后期设计难度，缩短产品研发周期，提高设计可靠性。
4 参考文献
[1] 龙凯,陈广华, 张健美. 某大型结构支撑塔架强度分析[J].机械工业出版社2010
[2] 张明阳龙章华 ATC 天线支架断裂原因分析及设计改进[J]. 机械工业出版社2011
[3] 常亮袁正 李戈操 某型叉车轮辋开裂原因有限元分析[J] 机械工业出版社2011
[4] Altair Engineering Inc. HyperWorks User's Guide, 2010(end)
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(1/14/2015) |
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