某越野车前罩盖扭转刚度有限元分析

1 前言

       前罩盖一般居于汽车的最前端，前罩盖的扭转刚度是汽车重要力学性能之一，扭转刚度不足会导致舱盖局部区域出现大的变形，影响舱盖的密封性，因此前罩盖的扭转刚度十分重要。传统的汽车设计一般用试验法来研究刚度，但现在随着计算机的发展，很多国内外专家把有限元法应用到汽车设计中来，这样可以在汽车的设计、改进、开发过程中用计算机模拟的方法来代替试验，从而降低成本和缩短时间，并节省大量的资金。因此对越野车前罩盖进行了有限元分析和试验验证。
 
2 某越野车前罩盖介绍

       前罩盖总成一般由外板和内板结合而成，为适应整车造型的需要，外板一般设计成平整或者稍有拱曲的大覆盖件，为了增加前罩盖的整体刚度，一般在外板上布置两条相差不大且通长的加强筋。内板由薄钢板经整体拉延后成型，呈网络状布置。前罩盖几何模型，如图1所示，左右两铰链固定点间的距离1397mm，左右两侧缓冲垫点间距离1220mm。

3 扭转刚度理论基础

       当汽车受到左右对称并且方向相反的载荷作用时，汽车前罩盖会产生扭转变形，评价结构抵抗这种扭转变形的能力就是扭转刚度，具体计算方法如下：

       假设汽车前罩盖是一个具有均匀扭转刚度的直杆，然后根据材料力学中的计算公式计算扭转刚度数值，前罩盖扭转刚度K（Nm/rad）计算公式如下：

       式中：K—前罩盖扭转刚度的定义为扭矩与扭转角度之比(Nm/rad)

       Mt—扭矩(Nm)

       α—扭转角度(rad)

       F—最大载荷值(N)

       L—左右两侧缓冲垫之间的距离(mm)

       Z1—左侧缓冲垫支撑点的位移(mm)

       Z2—右侧缓冲垫支撑点的位移(mm)

       如图2所示，为扭转角度α示意图。

图2 扭转角度示意图

4 前罩盖扭转刚度有限元分析

       对前罩盖用有限元软件HyperMesh进行建模，然后用OptiStruct对模型进行扭转刚度计算求解。

       4.1 建立有限元模型

       前罩盖结构简单，在UG中将模型文件另存为IGES中间数据格式，然后导入到HyperMesh中。在HyperMesh中对发生变形或缺面的零件进行修复，然后在HyperMesh中进行建模。因为内外板主要是薄板冲压件，可以采用四边形壳单元划分，并适当用三角形单元过渡，内外板之间的焊点用RBE2单元来模拟。

       前罩盖总成有限元模型包含前罩盖和铰链，节点数20753，单元数20912，其中四边形单元19758，三角形单元1154，三角形单元所占比例5.5%，单元尺寸取10mm。

       4.2 前罩盖材料

       前罩盖外板材料是DC04，厚度为0.7mm，内板材料是DC01，厚度为1.2mm，铰链材料是SAPH440，厚度是3mm，前罩盖总质量是13.6Kg。在HyperMesh中赋予线弹性材料特性，其中弹性模量E=2.07e+05MPa，材料泊松比λ=0.3，密度ρ=7.8e-09T/mm³。

       4.3 边界条件

       将前罩盖左右两个铰链约束XYZ三个方向的移动自由度，释放XYZ三个方向的转动自由度。在前罩盖左右缓冲垫支撑点位置分别施加向上和向下大小为41N的力，形成一个50Nm的扭矩。

       4.4 结果分析：

       用OptiStruct对设置好的有限元文件进行计算，把结果文件导入到HyperView中进行分析。假定位移沿Z向向上取正值，向下取负值。测出左侧缓冲垫支撑点Z向位移为4.430mm，右侧缓冲垫支撑点Z向位移为(-4.368)mm，左右缓冲垫支撑点的间距为1220.378mm，通过公式计算得前罩盖的扭转刚度K＝6935.66Nm/rad。前罩盖位移变形图，如图3所示，应力云图，如图4所示。

图3 前罩盖位移变化图

 

图4 前罩盖应力云图

5 扭转刚度试验

       为了验证有限元仿真计算结果的正确性和可靠性，对该车前罩盖进行了扭转刚度台架测试。

       5.1 试验原理

       通过实车试验计算前罩盖刚度，是比较传统的方法。试验过程中，按照国家标准要求在室内常温的环境下进行试验。将汽车前罩盖固定在刚性试验台上，并模拟实际工作情况，进行约束并通过加载装置对前罩盖施加扭转载荷，通过力传感器及二次仪表，载荷显示仪表，百分表等测试设备得到试验数据，最后用公式可以得出测试结果。

       5.2 扭转刚度测试

       前罩盖扭转刚度试验照片，如图5所示，约束条件和有限元分析一致。在左右缓冲垫上缓慢施加一对大小相等，方向相反的垂直力，形成一个大小为50Nm的扭矩。通过测量左右加力点的垂直方向位移，可以得到前罩盖的扭转角，最后计算可得前罩盖的扭转刚度值。

       5.3 试验结果

       在左右两侧缓冲垫处从0N开始逐渐加载，一直到41N，形成一个相当于50NM的扭矩，然后逐渐卸载，测出相应位移量。左右缓冲垫处位移值，如表1所示。

       把表1中的左右缓冲垫在41N时的Z向位移值4.32mm和(-4.28)mm代入到公式(1)中可以得到前罩盖扭转刚度为7093.32Nm/rad。远远高于目标值2500Nm/rad，满足设计要求。

       5.4 仿真结果和试验结果对比

       有限元计算结果和试验值对比，如表2所示。由于前罩盖总成要经历涂装工艺环节，由此会导致材料硬化，增加部件刚度，而仿真分析时没有考虑这个问题。我们在前罩盖建模过程中对结构进行了简化，导致比实际的质量轻了0.12kg，仿真结果间的差异主要由于二者质量的差异，由此出现了扭转刚度的差异。表中数据表明，该越野车前罩盖的有限元仿真结果稍低于试验结果，但总的来说，两者误差不大，基本吻合。

6 结论

       通过对某款越野车前罩盖扭转刚度有限元模拟和试验分析，得到如下结论：

       （1）通过有限元仿真和试验两种方法，得到了前罩盖的扭转刚度数值，对比以后可以看到有限元分析结果和试验结果基本一致，误差在5%以内。验证了有限元分析的可靠性，说明仿真模型建立的基本正确。

       （2）将分析结果与同类车型的设计目标值相比较，两者都大于目标值，所以前罩盖的扭转刚度满足要求。

       当然有限元分析也有其局限性，完全取代试验是不可能的，计算结果很大程度上依靠建模的准确度。此刚度分析方法同样可以应用与其它车型，为以后汽车设计中有限元的应用提供了重要依据。