基于有限元分析的发动机盖轻量化设计
尹道志等
摘要：
用有限元法分析并解决某车型发动机罩猛关失效问题.通过试验确定涵盖多数客户样本的发动机罩关闭速度，发现该车型发动机罩关闭过程中前端与格栅发生干涉，并通过有限元法再现此问题.改进缓冲块安装方案并进行有限元分析和实车验证，有效解决该车型发动机罩猛关失效问题.
关键词：
发动机罩； 猛关失效； 关闭速度； 瞬态动力学； 有限元
中图分类号： U463.833；TB115.1
文献标志码： B
0引言
发动机罩是车辆日常使用过程中的常用部件.设计精巧的发动机罩不仅能够使汽车外形更美观，还能让顾客的日常使用更便捷.在日常使用过程中，发动机罩需要承受各种各样的载荷，开启关闭是上述复杂载荷中最常见的一种.由于不同个人之间存在较大差异，对开启和关闭发动机罩的操作也不尽相同.关闭发动机罩导致前大灯碎裂、前翼子板掉漆、前格栅损坏的情况时有发生.本文在总结现场问题的基础上，基于有限元法，从系统角度出发，测量并收集子系统参数，建立发动机罩系统有限元模型，再现失效问题，并通过改进发动机罩结构，解决发动机罩猛关失效问题.
1问题描述和原因分析
在某车型试制车审核过程中，发现以较大速度关闭发动机罩时，发动机罩存在明显异响.经试验排查，发现在关闭发动机罩过程中发动机罩与前格栅发生干涉撞击，从而导致异响发生.
3分析工况和子系统参数测量
发动机罩关闭速度有不同的度量方法，常用的度量方法有前边沿线速度、旋转角速度、关闭能量等.为便于测量和统计研究，此处采用前边沿线速度研究发动机罩的关闭过程.发动机罩关闭过程为动态过程，从开始关闭到最终关闭，其前边沿线速度动态变化.为确定发动机罩在关闭过程中的过关量，必须确定开始时刻发动机罩前边沿的速度，而不同用户在完成关闭发动机罩过程中的速度不完全相同.
为确定涵盖多数客户样本的发动机罩关闭速度，使用采集多个客户样本的方法确定关闭速度.通过分析14组共计42次关闭结果（见图3），发现用户在关闭发动机罩时，开始时刻的前边沿线速度多介于1.6～2.2 m/s.为涵盖更多客户样本，本文使用2.2 m/s作为开始时刻的线速度，并研究在此初始速度下发动机罩在自身重力作用下的运动状态.
在发动机罩关闭过程中，发动机罩的初始动能和重力势能需要转化为锁止系统和密封缓冲系统的势能，从而实现发动机罩的关闭.锁止系统和密封缓冲系统的力学性能直接影响整个关闭过程.为更准确地分析发动机罩的关闭过程，需要测量锁止系统和密封缓冲系统在运动方向上的刚度.刚度测量在单向拉压机上进行，缓冲块刚度测量照片见图4，某缓冲块实测刚度曲线见图5.
4分析结果和改进
根据某车型前部几何模型和测量的子系统参数建立有限元模型.使用Abaqus/Explicit求解，使用罚函数法模拟发动机罩内板与锁止机构和密封缓冲系统的接触关系.考虑重力场对发动机罩关闭过程的影响，并设定求解时间为40 ms，有限元模型见图6.
考察图6中3处位置过关量，其中P2点处设定间隙见图7，各考察点过关量曲线见图8.
过关量分析结果和评价见表1，可知：在以2.2 m/s速度关闭发动机罩时，发动机罩前端P1和P2点过关量大于设定的间隙值，发动机罩与前格栅发生碰撞，导致关闭异响发生；前大灯区域过关量小于设定间隙值，发动机罩关闭时没有砸灯的风险，分析结果可准确地再现现场问题.
考察点分析过关量/mm实测过关量/mm间隙要求/mm评判结果
P17.27.0<6.56不合格
P26.96.5<6.34不合格
P36.36.0<8.68合格
根据上述有限元分析结果，在关闭发动机罩过程中，P1和P2点与前格栅发生碰撞.为避免问题的发生，在发生碰撞的区域新增2个缓冲块，改进后的布置方案见图9.按照最新方案分析改进效果，分析结果和评价见表2，可知改进后发动机罩在关闭过程中不再与前格栅有碰撞的风险.根据此改进方案，对已投铸的发动机罩内板模具进行局部修整，使用较低的成本完成方案的改进.改进后的方
案顺利通过评审，有效地解决此车型发动机罩的关闭失效问题.
5结束语
通过对发动机罩结构的准确建模，应用瞬态动力学方法准确模拟发动机罩的关闭过程，获得较精确的位移结果，为发动机罩失效问题的解决提供有力支持.通过试验确定的发动机罩关闭速度、子系统力学性能等参数为后续开闭件耐久性分析提供依据.本文所述方法也适用于车门闭合、行李箱盖猛关、后背门猛关等瞬态动力学问题.有限元法在解决系统行问题时，具有方便快捷、省时精确的特点.在解决现场疑难问题时，通过合理的有限元手段可大大降低解决问题的成本.
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（编辑武晓英）
