CAE于發動機蓋拓撲優化中的應用

2017-01-05 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1 前言

發動機蓋是車身中的關鍵部件,其性能直接影響了汽車的NVH性能、碰撞安全性能、防水性、門蓋開啟方便性及整車外觀等。因此,對汽車發動機蓋的模態,剛度、強度進行分析研究及優化顯得很有必要。

本文通過有限元分析方法,利用HyperMesh建立有限元分析模型,采用OptiStruct求解器進行計算求解。通過分析結果對比,對不合格工況進行拓撲優化,并對最終優化后的結果進行性能檢驗。

2 模型概況

發動機蓋總成以鈑金件為主,在結構上一般由外板和內板組成,中間夾以隔熱材料,內板起到增強剛性的作用,該總成還包括鎖鉤加強板,鎖鉤,鉸鏈,鉸鏈支座,鉸鏈加強板。

圖1.1發動機蓋有限元模型

有限元模型主要采用殼單元和實體單元進行建模:其中內板,外板,鎖加強板,鉸鏈,鉸鏈支座,鉸鏈加強板按10mm進行網格劃分,殼單元總共34427個,鎖鉤劃分為實體單元,因為鎖鉤尺寸比較小,按照3mm進行網格劃分。發動機蓋內外板的邊緣通過包邊處理實現連接;鉸鏈固定在車身上,采用RBE2模擬螺栓連接,并約束六自由度使其固定;鉸鏈座與鉸鏈臂之間采用銷軸連接,通過RBE2模擬螺栓連接,約束12346自由度,放開Y軸的旋轉自由度5;鉸鏈與內板的連接采用螺栓,通過RBE2單元進行模擬,約束123456自由度;內板與外板之間的膠連接,通過ACM單元模擬實現;鉸鏈處的焊點采用CWELD單元模擬實現;鎖鉤與鎖加強板之間是焊接關系,鎖鉤是體單元,為了更真實的模擬連接關系采用RBE2單元模擬實現;緩沖塊采用彈簧SPRING單元實現,密封膠采用CBUSH單元模擬實現。發動機蓋總成質量為17.48kg,模型的材料屬性見表1.1,其中發動機蓋總成結構有限元模型如圖1.1所示。

表1.1 模型材料屬性

3 模型分析

3.1模型計算及分析結果

模型檢查無誤之后,進行工況加載并計算。發動機蓋的模型計算工況包括剛度、強度、模態、非線性分析等等十多種,讀取計算結果與工況要求目標值進行比較:自由模態工況中的扭轉模態為24.59HZ,小于合格目標值30HZ,不滿足工況要求;扭轉剛度為8750.70N·m/rad,略小于合格目標值9000N·m/rad,不滿足工況要求;前乘坐工況的最大應力為183.19MPa,大于屈服應力,不滿足工況要求;側乘坐工況的最大應力為171.99MPa,與屈服應力非常接近;后乘坐工況的最大應力為209.39 MPa,大于屈服應力,不滿足工況要求。

綜上所述,自由模態的扭轉模態、扭轉剛度、乘坐(前乘坐、側乘坐、后乘坐)強度、下拉強度等等工況的計算結果,不滿足設計工況要求,需要進行結構優化。

3.2發動機蓋內板結構優化分析

拓撲優化的研究領域主要分為連續體拓撲優化和離散結構拓撲優化。不論哪個領域,都要依賴于有限元方法。連續體拓撲優化是把優化空間的材料離散成有限個單元(殼單元或者體單元),離散結構拓撲優化是在設計空間內建立一個由有限個梁單元組成的基礎結構,然后根據算法確定設計空間內單元的去留,保留下來的單元即構成最終的拓撲方案,從而實現拓撲優化。目前,連續體拓撲優化的研究已經較為成熟,主要有均勻化方法、變密度法、漸進結構優化法(ESO)以及水平集方法等。

由上面分析可知多種工況不滿足設計要求,需要對發動機蓋總成進行優化改進。對于發動機蓋總成來說,外板及鉸鏈的形狀一般不可以改變,外板為空間曲面板,要迎合整車造型的需求,體現轎車的外形風格,結構優化的空間不大。內板為薄鋼板,筋條網格狀布置,其主體結構可根據需要布置孔洞,以減輕自身重量,內板的作用還包括:加強結構剛度、達到足夠的抗凹性能及滿足碰撞(行人保護)法規要求,此外兼顧加工工藝、輕量化、車身的防腐蝕和最低成本原則等方面的需要。

本文在保證發動機蓋總成外板形狀不變的情況下,采用變密度法對發動機蓋內板及加強件進行拓撲優化。因發動機蓋內板結構多種多樣,對發動機蓋的模態、剛度和其他性能的影響較大,這里僅考察內板結構優化設計對發動機蓋總成模態、剛度和強度的性能提升影響。

優化分析步驟:

1) 設定約束

優化約束是在優化過程中必須滿足的條件,為了保持發動機蓋的性能,故需要約束。權衡計算速度,本文選取發動機蓋自由扭轉模態和扭轉剛度作為優化約束,要求各優化約束指標均不低于原設計性能。本文中設定自由扭轉模態固有頻率最小為30HZ,扭轉剛度為9000N·m/rad。

2) 設計變量

OptiStruct的拓撲優化過程采用變密度法。該方法假設材料的彈性模量與材料的密度為確定的數學關系,且每個設計單元的密度為一個優化變量。當優化結果表示設計單元的密度接近0,表示該單元彈性模量接近0,即該單元對考察的優化工況沒有貢獻,該單元應剔除;若密度越接近1,表示該單元的貢獻量越大,該單元需要優先保留。在本文中因為內板的厚度為0.7mm,設置basethickness =0.7mm,內板的厚度在0.7-1.5mm之間變化。

3) 優化結果分析

通過HyperView進行后處理,并查看優化結果。設計單元的密度是該內板結構保留或增強的標志。密度越高,顏色越紅,則說明該結構對所考察的工況越重要,反之,密度越低,顏色接近藍色,則該結構對所考察的工況所起的作用越小。從密度分布圖2.1中可以看出:內板的”A”字肋比較薄弱,需要進行加強改善以提高發動機蓋總成的性能。

圖2.1拓撲優化結果-內板密度效果圖

3.3 優化方案

1)根據工藝要求,對于易引起大變動的結構部位或者是與其他總成的連接部位盡量維持原有設計,減少模具的改造成本,紅黃藍三線框圖所示,例如:裝焊安裝孔,緩沖臺,鎖扣安裝位置等等,見圖2.2,對于這些部位稍有變動,會引起其他連接件的變動,涉及范圍比較廣,增加了經濟成本,所以這些部位都維持原有的設計。

圖2.2幾何模型

2) 根據經驗并參考優化結果,提出了兩種改進方案:

方案一修改”A”字形的中間肋的結構,增加截面面積,增大垂向的傾斜度,見圖2.3。

圖2.3 方案一

方案一的計算結果:自由模態工況中的扭轉模態為26.34HZ,小于合格目標值,不滿足工況要求;扭轉剛度為9260N·m/rad,略大于合格目標值,滿足工況要求;前乘坐工況的最大應力為195.23MPa,大于屈服應力,不滿足工況要求;側乘坐工況的最大應力為107.43MPa,小于屈服應力,滿足工況要求;后乘坐工況的最大應力為88.45MPa,小于屈服應力,滿足工況要求。

方案二抬高如圖2.4所示的兩個部位,使“A”字形內板結構更加完整。

方案二的計算結果:自由模態工況中的扭轉模態為30.04HZ,略大于合格目標值,滿足工況要求;扭轉剛度為11771.30N·m/rad,大于合格目標值,滿足工況要求;前乘坐工況的最大應力為182.11MPa,略微大于材料承受的最大屈服應力,不滿足工況要求;側乘坐工況的最大應力為101.21MPa,小于屈服應力,滿足工況要求;后乘坐工況的最大應力為86.42MPa,小于屈服應力,滿足工況要求。