基于HyperWorks的引擎蓋安全鉤優(yōu)化設(shè)計

鄭冬黎，張勝蘭，汪雙群

（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

基于HyperWorks的引擎蓋安全鉤優(yōu)化設(shè)計

鄭冬黎，張勝蘭，汪雙群

（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

某型轎車引擎蓋安全鉤在性能檢測時發(fā)現(xiàn)手柄末端橫向位移過大，經(jīng)有限元分析得知該問題是由于安全鉤支架的扭轉(zhuǎn)剛度不足導致。在不改變安全鉤支架制造材料的前提下，基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對支架進行改進設(shè)計，在支架的扭轉(zhuǎn)剛度得到較大提高的同時，質(zhì)量減輕了11.4%。

轎車引擎蓋安全鉤；扭轉(zhuǎn)剛度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

0 引言

某型轎車引擎蓋安全鉤，在性能檢測過程中，當安全鉤的手柄和支架開度達最大時，手柄末端的位移超過了設(shè)計要求。本文基于HyperWorks軟件對該安全鉤進行有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在不改變材料的前提下，使其性能滿足設(shè)計要求。

安全鉤具體設(shè)計要求如下：在進行受載性能檢測（圖1）、模擬安全鉤處在工作狀態(tài)時，手柄和支架間夾角為11.48°，在手柄最大移動位置處對手柄下端橫向施加50N的作用力，速度為10mm/min，支架固定不動，要求手柄下端的移動不超過5mm，且應力必須保證在手柄和支架材料開裂限制之內(nèi)。

圖1 安全鉤受載性能檢測

1 安全鉤的有限元分析

1.1 有限元模型的建立

運用CATIA軟件建立安全鉤的三維模型（圖2）。

圖2 安全鉤三維模型

運用HyperWorks軟件進行有限元分析，對其幾何模型進行必要的幾何清理，設(shè)置四面體單元單元尺寸為2 mm，最小單元尺寸為0.5 mm，并進行網(wǎng)格檢查，建立網(wǎng)格模型。手柄和支架的聯(lián)接處無相對運動，受力后聯(lián)接處只有部分接觸，在3D/replace頁面將手柄和支架的接觸處若干節(jié)點合并以模擬聯(lián)接狀態(tài)［3］。

手柄材料為工程塑料PA66 GF30，彎曲強度為180 MPa，楊氏模量為6800MPa，泊松比為0.4，密度為 1.5×10-9t/mm3。支架材料為工程塑料PA66 ANOF，彎曲強度為100 MPa，楊氏模量為2850MPa，泊松比為0.4，密度為1.1×10-9t/mm3。

在手柄末端橫向施加50N的力；在與手柄聯(lián)接端的支架支撐處選擇8個節(jié)點施加3個移動自由度的約束，在另一端選擇3個節(jié)點施加2個移動自由度的約束。建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

1.2 結(jié)果分析

通過線性靜態(tài)分析得模型位移云圖 （圖4）和應力云圖（圖5）。

由云圖知：手柄末端節(jié)點最大位移是7.12mm，大于許用位移5mm；安全鉤受到的最大應力發(fā)生在手柄和支架聯(lián)接處的接觸點，最大應力是124MPa，小于手柄強度極限180 MPa，大于支架強度極限100 MPa。但仔細觀察可發(fā)現(xiàn)：最大應力發(fā)生在支架和手柄點接觸處，而離開支架和手柄接觸點處，手柄最大應力單元鄰近單元的應力遠小于手柄強度極限180MPa，而周圍其他處應力更是迅速下降，應力更?。恢Ъ茏畲髴卧徑鼏卧膽σ策h小于支架強度極限100MPa。由此可見安全鉤最大應力124MPa是合并手柄和支架接觸處節(jié)點時引起的局部應力集中造成的，安全鉤不存在強度問題。查看安全鉤變形動畫知，手柄末端的位移主要是由支架的扭轉(zhuǎn)變形經(jīng)傳遞放大所致，故欲改善整個模型的剛度，減少手柄末端最大位移值應著眼于改善支架的扭轉(zhuǎn)剛度。

圖4 位移云圖

圖5 應力云圖

2 改進設(shè)計

2.1 改變支架截面尺寸

在保證強度的條件下，只要適當提高支架的扭轉(zhuǎn)剛度，就可滿足設(shè)計要求。經(jīng)驗設(shè)計一般是通過適當改變支架截面的尺寸［1］，如增加其槽形截面的壁厚，來提高支架的扭轉(zhuǎn)剛度，每次將支架壁厚增加0.5 mm直至剛度和強度均滿足設(shè)計要求為止。線性靜態(tài)分析結(jié)果如圖6所示。

由結(jié)果知：當支架側(cè)壁和底板厚均增至為2mm時，手柄末端最大位移為5.41mm；不滿足設(shè)計要求。當支架壁厚為2.5mm，手柄末端最大位移為3.82mm，此時強度亦滿足要求，是可行性設(shè)計。

2.2 優(yōu)化設(shè)計

2.2.1 優(yōu)化設(shè)置

圖6 位移分析圖

在支架壁厚為2.5mm基礎(chǔ)上進行拓撲優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)置時，支架的聯(lián)接結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置為非設(shè)計區(qū)域，對其他處進行拓撲優(yōu)化。

優(yōu)化參數(shù)設(shè)置如下：設(shè)計變量為單元密度；響應有體積響應和位移響應，體積響應指向設(shè)計區(qū)域，位移響應指向手柄末端位移最大節(jié)點處；約束條件為位移響應，上限設(shè)置為5mm；目標函數(shù)為設(shè)計區(qū)域體積，設(shè)置為最小化［2-3］。

2.2.2 優(yōu)化結(jié)果

查看優(yōu)化結(jié)果，確定優(yōu)化后的最終模型形狀如圖7所示。

圖7 優(yōu)化結(jié)果

2.2.3 二次設(shè)計

在優(yōu)化結(jié)果的指導下重新設(shè)計支架的三維模型（圖8），設(shè)支架底板聯(lián)接套管處材料厚度不變。

將二次設(shè)計得到的支架和最初模型中的手柄裝配后再次導入HyperWorks中進行位移和應力分析，建立有限元模型時的設(shè)置和最初模型的設(shè)置相同，得如圖9所示結(jié)果。

由位移云圖知手柄末端最大位移為4.89mm；且滿足強度條件，二次設(shè)計方案滿足設(shè)計要求，是可行性方案。通過優(yōu)化設(shè)計得到的支架在滿足設(shè)計要求的同時，與原始支架相比，通過加厚及拓撲優(yōu)化，仍可節(jié)省材料 11.4%（最初的支架質(zhì)量為7.935g，加厚2.5mm的支架質(zhì)量為8.334g，二次設(shè)計優(yōu)化后的支架質(zhì)量為7.033 g）。

圖8 支架二次設(shè)計模型

圖9 二次設(shè)計方案的位移云圖

3 結(jié)論

1）對安全鉤進行有限元分析，手柄末端節(jié)點最大位移是7.12mm，大于許用位移5mm，不滿足設(shè)計要求，原因在于支架的扭轉(zhuǎn)剛度不足。

2）將支架壁厚增加為2.5mm，手柄末端最大位移為3.82mm，在此基礎(chǔ)上對支架進行拓撲優(yōu)化，改進設(shè)計后的安全鉤滿足其位移和強度條件，且節(jié)省11.4%的材料。

［1］劉鴻文.高等材料力學［M］.北京：高等教育出版社，1985.

［2］Altair Engineering.HperWorks Help Documents［CD］.

［3］鄭冬黎，張勝蘭，張兵，等.基于Hypper Works的客車車身骨架強分析與結(jié)構(gòu)改進 ［J］.湖北汽車工業(yè)學院學報，2010，24（4）：20-33.

Optimum Structural Design of Engine-hood Safety Catch Based on HyperWorks

Zheng Dongli,Zhang Shenglan,Wang Shuangqun
（Dept.of Automotive Engineering,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China）

The performance testing of a model of car engine-hood safety catch is found that lateral displacement of the handle end is too big.Finite element analysis for the hood catch confirms that the problem is resulted from the insufficient torsional stiffness on the bracket.The improvement design is made based on HyperWorks optimum structural design technique without changing its material.The optimization results show that the torsional stiffness is enhanced greatly and also the weight of hood catch bracket is decreased by 11.4%

engine-hood safety catch；torsional stiffness；optimum structural design

TH122；U463.91

A

1008-5483（2011）02-0032-03

2011-01-20

鄭冬黎（1975-），女，湖北襄樊人，碩士，從事汽車數(shù)字化設(shè)計方面的研究。