发动机舱盖及连接点的安全性能研究

发布时间：2016-07-11 08:47

第 1 章 绪论 

1.1 引言 
随着国家综合国力的迅速增强和人民经济水平的日益提高，汽车已经由昂贵的奢侈品转变成为千家万户的出行工具。在市场竞争和技术革新日益激烈的汽车行业中，企业若想有效地提高市场占有率和自身的竞争力来获得产品的经济效益，必须同步提高产品的设计水平和制造工艺，缩短整车由设计到投入市场的研发周期。任何暴露在制造阶段的设计缺陷，都将反馈到设计部门进行结构更改，甚至重新设计，这无疑会推迟新车型的推出时间，因此如何消除产品在研发阶段的设计缺陷，已经成为汽车企业持续的关注点[1]。 计算机辅助工程(Computer Aided Engineering）是一门新兴的辅助技术，计算机技术和数值分析理论的发展是 CAE 技术应用到实际的重要保证，有限元方法和数值分析方法是 CAE 技术的基础[2]。计算机辅助工程与汽车设计的完美结合开创了汽车领域的一场技术革命，在设计过程初期引入 CAE 技术来分析指导，就能有效地避免因为设计后期发现问题时需要重新设计而引起的时间的浪费和成本的提高。计算机辅助工程的应用，使汽车设计人员能将主要精力集中在如何对产品进行优化设计，提高产品的品质和质量上，随着计算机辅助工程在汽车设计中的应用，设计人员不仅能预见产品的设计与性能的缺陷，而且在设计阶段尽量完善整车的设计，避免设计错误出现在试制、生产等后续制造阶段，避免了更大的经济损失。 CAE 技术无处不在地应用在整车开发中的诸多方面，最初采用有限元方法进行零件的强度校核，例如计算机械零件的应力和应变等，后来运用多体系统动力学方法分析整车的平顺性和操纵稳定性，运用 RADIOSS 模拟整车碰撞分析等，可以说有限元技术贯穿于整车开发中的各个环节[3]。 
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1.2 课题研究的背景及意义 
随着中国汽车产业的快速发展，中国已经具备了整车领域自主研发水平，但是与国外的先进设计制造水平还有一定的差距[4]。这种差距主要体现在车身技术的开发，车身的开发在整个研发体系中占据主导位置，作为研发水平的重要衡量标准，车身研发周期、车身质量、产品成本一直是各大汽车企业持续关注的目标[5]。传统车身研发模式下，车身工程师只能根据经验进行试探性的设计工作，具有较大盲目性，引入 CAE 技术之后，车身工程师可以系统化分析车身的结构，不仅可以提高了车身结构的设计质量，而且还能缩短设计周期[6]。随着 CAE 技术在汽车企业的应用日趋成熟，因此在车身设计初期通过计算机辅助工程对车身性能进行预测和评估，通过分析评估结果，对设计缺陷进行优化，就能增加了车身设计的安全可靠性，避免了设计缺陷暴露在生产阶段造成更大的损失。 图 1.1 表示在不同阶段修改设计产品的成本，在产品的详细设计阶段，每次发现设计缺陷并进行结构优化，所需要的成本大约是 3500 美元，而在测试阶段，每次发现设计缺陷并进行修改的成本将是 35000 美元，如果问题暴露在生产阶段，那么修改这一缺陷的成本将更高。 
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第 2 章 有限元方法基本理论 

2.1 引言 
有限元方法的应用范围不断扩展：由简单的静力学问题扩展到动力学问题；分析对象由弹性材料扩展到弹塑性、粘塑性和复合材料；由线性问题扩展到接触非线性、几何非线性、材料非线性等多重非线性问题；从确定性分析扩展到随机性分析；在工程分析中，已由校核分析扩展到优化设计和智能计算[17]。伴随着数值算法的完善和计算机技术的发展，在解决复杂工程问题时，有限元技术已经成为最有效的解决途径。作为联系技术和工程之间的纽带，有限元技术在汽车设计、机械工程、水利工程、生物医学等几乎所有的制造业均得到广泛的应用，有限元技术使各领域的设计制造水平发生质的飞跃[18]。 
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2.2 有限元方法分析过程 
有限元方法是CAE技术的重要分析方法，有限元方法的核心思想是结构的离散化， 将连续的求解域离散成若干个在节点相互连接的单元，从而将一个连续的无限自由度的问题简化成有限个自由度的求解问题，利用数值的近似方法模拟真实的物理系统（载荷工况或几何工况），用每个单元所假设的位移函数来表示全局内待求解的未知变量，通过对离散的各个单元进行单元分析，最终得到结构的整体分析[19]。线弹性问题是有限元分析的基础，线弹性问题的有限元分析过程如下[20]：结构离散化是有限元分析的基础，离散化是指将连续的求解域划分成有限个单元的组合，在单元体内设置有限元分析节点，相邻的单元体之间通过节点相互连接，离散化将分析结构划分成具有相关节点的等价模型。选取最接近于实际模型的有限元单元类型模拟真实结构，在有限元中单元类型的选取不仅取决于受到载荷作用的分析模型，而且取决于分析的精度要求。 单元类型主要指有限元分析中所应用的一维、二维、三维单元： （1）一维单元是最简单的单元，一维单元通过连接节点处的线段表示，典型的一维单元有杆单元和梁单元组成； （2）二维单元称为平面应力状态，二维单元的单元类型可以是三角形或者四边形，二维单元应用在较薄的平面模型中，例如车身翼子板、发动机舱盖、下地板等； （3）三维单元应用在具有一定厚度的实体模型中，最普通的三维单元模型是四面体模型和六面体模型。 
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第 3 章 发动机舱盖有限元模型的建立 ...... 16 
3.1 HYPERMESH 前处理简介 ........ 16 
3.2 建模关键问题处理 .... 17 
3.3 舱盖结构有限元模型建模过程 ........ 21 
3.4 本章小结 .... 27 
第 4 章 发动机舱盖静刚度分析 .......... 28 
4.1 静刚度基本理论 ........ 28 
4.2 静刚度分析的加载过程 .... 29 
4.3 发动机舱盖静刚度结果分析 .... 29 
4.4 本章小结 .... 32 
第 5 章 发动机舱盖过开启分析 .......... 33 
5.1 过开启分析的研究意义 .... 33 
5.2 过开启分析的加载过程 .... 33 
5.3 发动机舱盖过开启结果分析 .... 34
5.4 本章小结 .... 41 
 
第 6 章 发动机舱盖结构优化 

6.1 优化方案的选择 

由静刚度与过开启分析结果可知，发动机舱盖在分析过程中过开启角度，等效塑性应变以及Z 向静刚度值不满足设计要求，针对这一设计缺陷，经过分析对此提出三种优化方案作为参考： （1）更换舱盖材料，使舱盖的强度满足要求，此方案的优点在于不改变舱盖的外形结构，设计人员无需对舱盖结构重新设计，但缺点是更换了高性能的材料之后势必会造成整车成本的增加[39]，因此不考虑更换舱盖材料的方案； （2）重新设计舱盖的结构，此方案根据计算结果进行评估，，重新设计舱盖结构，其优点是方案可靠度高，但缺点是对结构的重新设计必将会增加整车的开发周期，影响项目的总体进度，因此不考虑对铰链结构重新设计的方案[40]； （3）更改舱盖的结构，根据分析结果，拟增加舱盖内板的厚度，其优点是根据仿真结果进行结构优化，具有模拟真实情况的可靠性，并且节约了设计成本，缩短了研发周期，因此将方案三作为优化方案。 

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结论 

本课题以某款发动机舱盖作为研究对象，应用有限元分析方法，对发动机舱盖进行静力学分析，现将本文开展的主要工作及所得到的结论总结如下：将发动机舱盖三维模型加载到 Hypermesh 软件中，由于模型的复杂性，针对舱盖有限元模型做出合理的简化，选取壳单元进行舱盖网格划分，选取六面体单元进行有限元网格划分，应用 ACM2 模型模拟舱盖的焊点，基本保留翻边的结构，建立发动机舱盖有限元模型。沿着三个坐标轴方向施加 100N 载荷，应用 Optistruct 求解器，求解发动机舱盖在载荷作用下的节点位移，应用静刚度计算方式，分别求解出舱盖沿三个方向的静刚度值，由分析结果可知，发动机舱盖 Z 向静刚度值为 4.44N/mm，不满足设计要求。应用 Abaqus 软件，计算发动机舱盖在过开启分析中的过开启角度与残余角度，分析发动机舱盖与铰链的等效塑性应变是否满足设计要求，考察舱盖与铰链过开启过程中的强度是否满足要求，仿真结果显示，发动机舱盖过开启角度与等效塑性应变不满足设计要求。根据静刚度分析与过开启分析的仿真分析结果，将发动机舱盖内板的厚度由0.5mm 增加到 0.7mm，经过验证更改后的舱盖结构满足设计要求。 
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参考文献(略)

本文编号：68782