SMC材料發(fā)動機罩的多工況分析及優(yōu)化研究

石紀軍，沈永旭，劉南南

[賽史品威奧(唐山)結(jié)構(gòu)復合材料有限公司，河北 唐山 064099]

0 引言

發(fā)動機罩作為汽車重要的外觀件與功能件之一，在銷售過程中往往會受到顧客的重點關(guān)注，在汽車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中占有舉足輕重的地位。目前市場上在售車型的發(fā)動機罩多使用鍍鋅鋼板，利用焊接、粘接等工藝實現(xiàn)內(nèi)板、外板的連接。同時在國家大力推進汽車節(jié)能減排的背景下，減重效果明顯的鋁合金發(fā)動機罩在近幾年出現(xiàn)頻次逐漸增多，例如寶馬3系、三菱歐藍德、別克君威、沃爾沃XC60等車型上均已投入使用。隨著汽車輕量化需求的進一步加深，近幾年輕量化效果更優(yōu)的復合材料發(fā)動機罩受到各大主機廠、高校等研究結(jié)構(gòu)的青睞，其中碳纖維發(fā)動機罩的關(guān)注度相對較高。但是隨著研究的深入，考慮到碳纖維材料相對較高的制作成本，部分行業(yè)人士亦逐漸將目光投向造價相對更低的長玻璃纖維和短切玻璃纖維復合材料上來。

SMC復合材料亦稱作片狀模塑料，是一種短切玻璃纖維熱固性復合材料，其產(chǎn)品經(jīng)一次高溫模壓成型，具有原料成本低、生產(chǎn)率高、對環(huán)境污染小、強度高、耐高溫、尺寸穩(wěn)定、成型工藝性能良好和壽命長等特點，已經(jīng)在汽車工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用[1]。同時在模壓過程中，SMC材料具有良好的流動性，可根據(jù)需要實現(xiàn)單一產(chǎn)品的多種厚度尺寸分布，設(shè)計自由度大。本文以SMC復合材料為研究對象，對某款車型的發(fā)動機罩開展有限元分析，利用仿真手段對SMC發(fā)動機罩內(nèi)板、外板實現(xiàn)多工況下的厚度尺寸優(yōu)化設(shè)計。

1 發(fā)動機罩有限元模型創(chuàng)建

本文使用的前處理工具為Hyper Mesh，求解器為Optistruct，后處理工具為Hyper View。發(fā)動機罩長為1 546 mm，寬為1 123 mm。本次分析所用SMC復合材料主要參數(shù)信息：模量為11 000 MPa，拉伸強度為85 MPa，密度為1.92 g/cm3，泊松比取值0.35。發(fā)動機罩外板、內(nèi)板厚度均采用3.0 mm，總重為17.64 kg。

1.1 建立Hyper Mesh有限元模型

采用10 mm單元尺寸劃分網(wǎng)格，分別定義材料和厚度屬性，定義部件間的連接單元，用剛性連接單元RBE2來模擬發(fā)動機罩部件之間的螺栓連接方式。創(chuàng)建好的發(fā)動機罩有限元模型如圖1所示。

圖1 發(fā)動機罩有限元模型

1.2 分析工況簡介

1.2.1 工況一：約束模態(tài)

約束發(fā)動機罩鎖鉤和鉸鏈安裝孔的平動和轉(zhuǎn)動自由度，要求一階共振頻率≥20 Hz。該工況旨在評估發(fā)動機罩在整車狀態(tài)下的振動特性[2]。

1.2.2 工況二：外板抗凹陷剛度

約束發(fā)動機罩鎖鉤和鉸鏈安裝孔的平動和轉(zhuǎn)動自由度，約束緩沖塊Z向平動自由度；利用直徑75 mm剛性圓盤在外板表面施加40 N靜載，要求外板局部最大變形<0.5 mm。該工況旨在評估發(fā)動機罩外板抵抗變形的能力。

為節(jié)省后續(xù)優(yōu)化計算時間成本，已提前識別出外板剛度最弱位置，見圖2圓盤中所示位置。

圖2 外板抗凹陷有限元模型

1.2.3 工況三：扭轉(zhuǎn)剛度

約束發(fā)動機罩鉸鏈安裝孔的平動和轉(zhuǎn)動自由度，約束鎖鉤左側(cè)緩沖塊安裝孔Z向平動自由度；對模型施加Z向1倍重力場。要求右側(cè)緩沖塊安裝孔處的Z向變形<0.4 mm。該工況旨在評估發(fā)動機罩抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。

1.2.4 工況四：側(cè)向剛度

約束發(fā)動機罩鎖鉤和鉸鏈安裝孔的平動和轉(zhuǎn)動自由度；在發(fā)動機罩左側(cè)邊緣的中間位置施加Y向180 N靜載。要求施力點Y向最大變形<0.35 mm。施力點具體位置如圖3所示。該工況旨在評估發(fā)動機罩抵抗側(cè)向受力變形的能力。

圖3 側(cè)向剛度有限元模型

2 有限元結(jié)果分析

2.1 約束模態(tài)分析

約束模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示。SMC材料的一階共振頻率為52.9 Hz，振型為兩側(cè)局部彎曲。從分析結(jié)果可知，本次分析所用SMC發(fā)動機罩可以滿足模態(tài)要求。

圖4 一階模態(tài)結(jié)果云圖

2.2 外板抗凹陷分析

外板抗凹陷分析的目的是模擬人手按壓外板，如果外板剛度較差，則按壓后會導致外板局部變形過大，顧客感知度極差。發(fā)動機罩外板剛度最弱位置最大變形為0.176 mm，如圖5所示。分析結(jié)果可以得到，SMC發(fā)動機罩外板抗凹陷剛度滿足要求。

圖5 外板抗凹陷剛度結(jié)果云圖

2.3 扭轉(zhuǎn)剛度分析

發(fā)動機罩的扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果如圖6所示。從分析結(jié)果云圖上可以得出結(jié)論：SMC發(fā)動機罩緩沖塊安裝孔處的Z向最大變形為0.43 mm，不滿足扭轉(zhuǎn)剛度要求。

圖6 扭轉(zhuǎn)剛度結(jié)果云圖

圖7 側(cè)向剛度結(jié)果云圖

2.4 側(cè)向剛度分析

發(fā)動機罩的側(cè)向剛度分析結(jié)果如圖7所示。從分析結(jié)果云圖上可以得出結(jié)論：SMC發(fā)動機罩在Y向最大變形為0.35 mm，已處于評價指標臨界值，但仍可視為滿足性能要求。

各剛度分析結(jié)果見表1。發(fā)動機罩在約束模態(tài)、外板抗凹陷剛度、側(cè)向剛度性能上可以滿足仿真性能要求，且留有一定的性能余量，具備進一步優(yōu)化的空間；而扭轉(zhuǎn)剛度不滿足性能要求，同樣需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

表1 分析結(jié)果統(tǒng)計

3 多工況下的板厚尺寸優(yōu)化

利用HyperStudy軟件開展多工況下的發(fā)動機罩厚度尺寸優(yōu)化：以發(fā)動機罩總重量最輕為優(yōu)化目標，一階共振頻率和各剛度工況下對應(yīng)的變形值為約束條件，將發(fā)動機罩內(nèi)板厚度劃分成不同的5個區(qū)域，將內(nèi)板5個區(qū)域和外板的厚度作為設(shè)計變量開展優(yōu)化。區(qū)域劃分細節(jié)如圖8所示。

圖8 厚度區(qū)域劃分

對不同的厚度區(qū)域，兼顧左右對稱原則開展厚度變量設(shè)計，即確定各區(qū)域厚度變化的上、下限值。厚度設(shè)計變量見表2。

表2 各區(qū)域厚度變量統(tǒng)計

依據(jù)以往SMC材質(zhì)的產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗，對于發(fā)動機罩而言，SMC材質(zhì)的內(nèi)板厚度下限值推薦不低于2.5 mm；外板厚度下限值推薦不低于2.5 mm，本次優(yōu)化將下限值取2.8 mm。

經(jīng)過迭代優(yōu)化，HyperStudy軟件會計算得到滿足要求的解，解的數(shù)量取決于約束條件和優(yōu)化目標設(shè)定的難易程度，因此不一定是唯一的，可能有多組解滿足要求(圖9)。

圖9 求解迭代過程截圖

圖9中的白底黑色數(shù)據(jù)代表具有可行性，而黑底白色數(shù)據(jù)代表可接受，通常以得到黑底白色數(shù)據(jù)為最佳。從圖9中可知迭代步數(shù)從14到22，各項數(shù)字沒有變化，說明從第14步就已經(jīng)迭代到穩(wěn)定狀態(tài)，此時計算得出的解即為最優(yōu)解。

各厚度變量與各工況的相關(guān)性如圖10所示。由圖10可看出：

(1)內(nèi)板-基礎(chǔ)面區(qū)域的厚度與約束模態(tài)有明顯的線性相關(guān)性。

(2)外板區(qū)域的厚度與外板抗凹陷剛度有明顯的線性相關(guān)性。

(3)內(nèi)板-主要安裝面區(qū)域的厚度與扭轉(zhuǎn)剛度有明顯的線性相關(guān)性。

(4)內(nèi)板-基礎(chǔ)面區(qū)域的厚度與側(cè)向剛度有明顯的線性相關(guān)性。

(5)外板和內(nèi)板-基礎(chǔ)面區(qū)域的厚度與發(fā)動機罩總重量有明顯的線性相關(guān)性。

圖10 厚度與性能的線性效應(yīng)圖

了解各區(qū)域厚度尺寸與各工況的線性效應(yīng)，可以為發(fā)動機罩的厚度分布提供數(shù)據(jù)參考。

通過對多組解進行挑選，識別出較為合理的一組解，對其數(shù)值進行修正，最終得到一組最優(yōu)解，見表3。

表3 修正后的厚度值

通過對SMC發(fā)動機罩約束模態(tài)、外板抗凹陷、扭轉(zhuǎn)剛度和側(cè)向剛度的分析結(jié)果進行整理，可以得知：發(fā)動機罩在約束模態(tài)、外板抗凹陷剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度性能上可以滿足仿真性能要求。具體分析結(jié)果詳見表4。

表4 分析結(jié)果統(tǒng)計

4 結(jié)論

通過對SMC發(fā)動機罩劃分多個區(qū)域，對每個區(qū)域設(shè)定厚度變量上下限，以模態(tài)頻率和變形量為約束條件，以發(fā)動機罩總重量為優(yōu)化目標開展多工況下的板厚尺寸分布優(yōu)化，最終得到了一組滿足要求的最優(yōu)解。通過對最優(yōu)解進行驗證，發(fā)動機罩約束模態(tài)、外板抗凹陷、扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度均滿足性能要求，同時發(fā)動機罩總重量減少0.87 kg，減重4.9%。

綜上所述，在采用SMC復合材料進行發(fā)動機罩或其他產(chǎn)品開發(fā)時，可以利用成型過程中良好的流動性去合理設(shè)定厚度分布，在保證力學性能的前提下，實現(xiàn)更優(yōu)的輕量化效果。